Ett internationellt forskningssamarbete inklusive Northwestern University-astronomer har producerat det mest detaljerade familjeporträttet av svarta hål hittills, ger nya ledtrådar om hur svarta hål bildas. En intensiv analys av de senaste tillgängliga gravitationsvågdata ledde till det rika porträttet såväl som flera tester av Einsteins allmänna relativitetsteori. (Teorin klarade varje test.)

Teamet av forskare som utgör LIGO Scientific Collaboration (LSC) och Virgo Collaboration delar nu med sig av alla detaljer om sina upptäckter. Detta inkluderar nya gravitationsvågsdetekteringskandidater som höll upp till granskning - totalt 39, representerar en mängd olika svarta hål och neutronstjärnor – och nya upptäckter som ett resultat av att kombinera alla observationer. De 39 händelserna var i genomsnitt mer än en per vecka av observation.

Observationerna kan vara en nyckelbit för att lösa de många mysterierna om exakt hur binära stjärnor interagerar. En bättre förståelse för hur binära stjärnor utvecklas får konsekvenser över astronomi, från exoplaneter till galaxbildning.

Detaljer rapporteras i en trio av relaterade tidningar som kommer att finnas tillgängliga i förtryck den 28 oktober på arxiv.org. Studierna skickas också till peer-reviewed tidskrifter.

Gravitationsvågssignalerna som studierna bygger på upptäcktes under den första hälften av den tredje observationskörningen, kallas O3a, av National Science Foundations Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory (LIGO), ett par identiska, 4 kilometer långa interferometrar i USA, och Jungfrun, en 3 kilometer lång detektor i Italien. Instrumenten kan detektera gravitationsvågsignaler från många källor, inklusive kolliderande svarta hål och kolliderande neutronstjärnor.

"Gravitationsvågsastronomi är revolutionerande - avslöjar för oss de dolda liven för svarta hål och neutronstjärnor, sa Christopher Berry, en LSC-medlem och författare till tidningarna. "På bara fem år har vi gått från att inte veta att binära svarta hål existerar till att ha en katalog på över 40. Den tredje observationskörningen har gett fler upptäckter än någonsin tidigare. Att kombinera dem med tidigare upptäckter ger en vacker bild av universums rika variation av binärer."

Berry är CIERA Board of Visitors Research Professor i Northwesterns CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics) och föreläsare vid University of Glasgow. Andra Northwestern författare inkluderar CIERA medlemmar Maya Fishbach och Chase Kimball. CIERA är hem för en bred grupp forskare inom teori, simulering och observation som studerar svarta hål, neutronstjärnor, vita dvärgar med mera.

Som medlem i samarbetet Northwestern forskare analyserade data från gravitationsvågsdetektorer för att sluta sig till egenskaperna hos detekterade svarta hål och neutronstjärnor och för att ge en astrofysisk tolkning av dessa upptäckter.

Uppsatserna sammanfattas enligt följande:

• "Katalogpapperet" beskriver upptäckterna av svarta hål och neutronstjärnor från den första hälften av O3a, vilket ger det totala antalet detektionskandidater för den perioden till 39. Detta antal överstiger vida detekteringarna från de två första observationskörningarna. (Den första körningen hade tre gravitationsvågdetekteringar, och den andra hade åtta.) Tidigare tillkännagivna upptäckter från O3a inkluderar ett mysteriumobjekt i massgapet (GW190814) och det första i sitt slag mellanmassasvarta hålet (GW190521).
• I "populationstidningen, " forskarna rekonstruerade fördelningen av massor och spinn av svarta håls population och uppskattade fusionshastigheten för binära neutronstjärnor. Resultaten kommer att hjälpa forskare att förstå de detaljerade astrofysiska processerna som formar hur dessa system bildas. Denna förbättrade förståelse av massfördelningen av svarta hål och att veta att svarta håls snurr kan vara felinriktade tyder på att det kan finnas flera sätt för binära svarta hål att bildas.
• Med hjälp av uppsättningen av upptäckter som rapporteras i katalogpapperet, forskarna genomförde en detaljerad analys genom att kombinera allt. I vad de kallar "testande allmän relativitetsteori, " författarna satte begränsningar för Einsteins allmänna relativitetsteori. Teorin gick med råge, och de uppdaterade sina bästa mätningar på potentiella modifieringar.

"Än så länge, LIGO och Jungfruns tredje observationskörning har gett många överraskningar, sa Fishbach, en NASA Einstein postdoktor och LSC-medlem. "Efter den andra observationskörningen, Jag trodde att vi hade sett hela spektrat av binära svarta hål, men landskapet av svarta hål är mycket rikare och mer varierat än jag föreställt mig. Jag är spänd på att se vad framtida observationer kommer att lära oss."

Fishbach koordinerade skrivandet av populationspapperet som beskriver vad samarbetet har lärt sig om egenskaperna hos familjen av sammanslagna svarta hål och neutronstjärnor.

Berry hjälpte till att koordinera analys som en del av ett globalt team för att sluta sig till egenskaperna hos detekteringarna, och han fungerade som LSC-redaktionsrecensent för katalogen och testar allmänna relativitetstester.

Doktorand Chase Kimball, en LSC-medlem, bidrog med beräkningar av fusionstakten till befolkningstidningen. Kimball får råd av Berry och Vicky Kalogera, huvudutredaren för Northwesterns LSC-grupp, direktör för CIERA och Daniel I. Linzer Distinguished University Professor of Physics and Astronomy vid Weinberg College of Arts and Sciences.

LIGO- och Jungfrudetektorerna avslutade sin senaste observationskörning i mars. Data som analyserades i dessa tre tidningar samlades in från den 1 april, 2019, till 1 oktober, 2019. Forskare håller på att analysera data från andra halvan av observationskörningen, O3b.

Detektorerna är planerade att återuppta observation nästa år efter att arbete har gjorts för att öka deras detekteringsområde.

"Sammande svarta hål och neutronstjärna binärer är ett unikt laboratorium, ", sa Berry. "Vi kan använda dem för att studera både gravitationen – hittills har Einsteins allmänna relativitetsteori klarat varje test – och astrofysiken om hur massiva stjärnor lever sina liv. LIGO och Jungfrun har förändrat vår förmåga att observera dessa binärer, och, när våra detektorer förbättras, upptäcktshastigheten kommer bara att accelerera."