För länge sedan, i två galaxer cirka 900 miljoner ljusår bort, två svarta hål slukade varsin neutronstjärnekompanjon, utlöser gravitationsvågor som slutligen träffade jorden i januari 2020.

Upptäckt av ett internationellt team av astrofysiker inklusive forskare från Northwestern University, två händelser – detekterade med bara 10 dagars mellanrum – markerar den första upptäckten någonsin av ett svart hål som smälter samman med en neutronstjärna. Resultaten kommer att göra det möjligt för forskare att dra de första slutsatserna om ursprunget till dessa sällsynta binära system och hur ofta de smälter samman.

"Gravitationsvågor har gjort det möjligt för oss att upptäcka kollisioner av par av svarta hål och par av neutronstjärnor, men den blandade kollisionen av ett svart hål med en neutronstjärna har varit den svårfångade saknade delen av familjebilden av sammanslagningar av kompakta föremål, " sa Chase Kimball, en doktorand i Northwestern som var medförfattare till studien. "Att fullborda den här bilden är avgörande för att begränsa mängden astrofysiska modeller för kompakt objektbildning och binär evolution. Dessa modeller är inneboende i deras förutsägelser om hastigheten som svarta hål och neutronstjärnor smälter samman sinsemellan. Med dessa upptäckter, vi har äntligen mätningar av fusionshastigheterna för alla tre kategorierna av kompakta binära fusioner."

Forskningen kommer att publiceras den 29 juni i Astrofysiska tidskriftsbrev . I teamet ingår forskare från LIGO Scientific Collaboration (LSC), Virgo Collaboration och Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) projektet. En LSC-medlem, Kimball ledde beräkningar av uppskattningarna av sammanslagningshastigheten och hur de passar in i förutsägelser från de olika bildningskanalerna för neutronstjärnor och svarta hål. Han bidrog också till diskussioner om de astrofysiska konsekvenserna av upptäckten.

Kimball är medrådgiven av Vicky Kalogera, huvudutredaren för Northwesterns LSC-grupp, chef för Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) och Daniel I. Linzers framstående professor i fysik och astronomi vid Weinberg Colleges of Arts and Sciences; och av Christopher Berry, en LSC-medlem och CIERA Board of Visitors Research Professor vid Northwestern samt en föreläsare vid Institute for Gravitational Research vid University of Glasgow. Andra Northwestern medförfattare inkluderar Maya Fishbach, en NASA Einstein postdoktor och LSC-medlem.

Två evenemang på tio dagar

Teamet observerade de två nya gravitationsvåghändelserna – kallade GW200105 och GW200115 – den 5 januari, 2020, och 15 januari, 2020, under andra halvan av LIGO- och Jungfrudetektorernas tredje observationskörning, kallas O3b. Även om flera observatorier genomförde flera uppföljande observationer, inget observerat ljus från någon av händelserna, överensstämmer med de uppmätta massorna och avstånden.

"Efter den lockande upptäckten, tillkännagav i juni 2020, av en sammanslagning av svarta hål med ett mysteriumobjekt, som kan vara den mest massiva neutronstjärnan man känner till, det är också spännande att upptäcka tydligt identifierade blandade sammanslagningar, som förutspåtts av våra teoretiska modeller i decennier nu, "Kvantitativ matchning av hastighetsbegränsningarna och egenskaperna för alla tre befolkningstyperna kommer att vara ett kraftfullt sätt att svara på de grundläggande frågorna om ursprung."

Alla tre stora detektorer (både LIGO-instrumenten och Virgo-instrumentet) upptäckte GW200115, som resulterade från sammanslagning av ett 6-solmassa svart hål med en 1,5-solmassa neutronstjärna, ungefär 1 miljard ljusår från jorden. Med observationer av de tre vitt åtskilda detektorerna på jorden, riktningen till vågornas ursprung kan bestämmas till en del av himlen som motsvarar det område som täcks av 2, 900 fullmånar.

Bara 10 dagar tidigare, LIGO upptäckte en stark signal från GW200105, använder bara en detektor medan den andra var tillfälligt offline. Medan Jungfrun också observerade, the signal was too quiet in its data for Virgo to help detect it. From the gravitational waves, the astronomers inferred that the signal was caused by a 9-solar mass black hole colliding with a 1.9-solar mass compact object, which they ultimately concluded was a neutron star. This merger happened at a distance of about 900 million light-years from Earth.

Because the signal was strong in only one detector, the astronomers could not precisely determine the direction of the waves' origin. Although the signal was too quiet for Virgo to confirm its detection, its data did help narrow down the source's potential location to about 17% of the entire sky, which is equivalent to the area covered by 34, 000 full moons.

Where do they come from?

Because the two events are the first confident observations of gravitational waves from black holes merging with neutron stars, the researchers now can estimate how often such events happen in the universe. Although not all events are detectable, the researchers expect roughly one such merger per month happens within a distance of one billion light-years.

While it is unclear where these binary systems form, astronomers identified three likely cosmic origins:stellar binary systems, dense stellar environments including young star clusters, and the centers of galaxies.

The team is currently preparing the detectors for a fourth observation run, to begin in summer 2022.

"We've now seen the first examples of black holes merging with neutron stars, so we know that they're out there, " Fishbach said. "But there's still so much we don't know about neutron stars and black holes—how small or big they can get, how fast they can spin, how they pair off into merger partners. With future gravitational wave data, we will have the statistics to answer these questions, and ultimately learn how the most extreme objects in our universe are made."