Forskare från University of Portsmouths Institute of Cosmology and Gravitation (ICG) har hjälpt till att upptäcka en anmärkningsvärd gravitationsvågssignal, som kan hålla nyckeln till att lösa ett kosmiskt mysterium.
Upptäckten är från den senaste uppsättningen resultat som tillkännagavs av LIGO-Virgo-KAGRA-samarbetet, som omfattar mer än 1 600 forskare från hela världen, inklusive medlemmar av ICG, som försöker detektera gravitationsvågor och använda dem för att utforska grunderna för vetenskap.
I maj 2023, kort efter starten av den fjärde LIGO-Virgo-KAGRA-observationskörningen, observerade LIGO Livingston-detektorn i Louisiana, USA, en gravitationsvågssignal från kollisionen av vad som troligen är en neutronstjärna med ett kompakt föremål som är 2,5 till 4,5 gånger massan av vår sol.
Neutronstjärnor och svarta hål är båda kompakta objekt, de täta resterna av massiva stjärnexplosioner. Det som gör denna signal, som kallas GW230529, spännande är massan av det tyngre föremålet. Det faller inom ett möjligt massgap mellan de tyngsta kända neutronstjärnorna och de lättaste svarta hålen. Gravitationsvågssignalen ensam kan inte avslöja arten av detta objekt. Framtida upptäckter av liknande händelser, särskilt de som åtföljs av skurar av elektromagnetisk strålning, kan hjälpa till att lösa detta.
"Denna upptäckt, det första av våra spännande resultat från den fjärde LIGO-Virgo-KAGRA-observationskörningen, avslöjar att det kan finnas en högre frekvens av liknande kollisioner mellan neutronstjärnor och svarta hål med låg massa än vi tidigare trott", säger Dr Jess McIver, biträdande professor vid University of British Columbia och biträdande talesperson för LIGO Scientific Collaboration.
Eftersom denna händelse endast sågs av en gravitationsvågsdetektor, blir det svårare att bedöma om det är verkligt eller inte.
Dr. Gareth Cabourn Davies, en forskningsprogramvaruingenjör vid ICG, utvecklade verktygen som användes för att söka efter händelser i en enda detektor. Han sa, "Att bekräfta händelser genom att se dem i flera detektorer är ett av våra mest kraftfulla verktyg för att separera signaler från brus. Genom att använda lämpliga modeller av bakgrundsbruset kan vi bedöma en händelse även när vi inte har en annan detektor att backa upp. upp vad vi har sett."
Före upptäckten av gravitationsvågor 2015 hittades massorna av svarta hål med stjärnmassa främst med hjälp av röntgenobservationer medan massorna av neutronstjärnor hittades med radioobservationer. De resulterande mätningarna föll i två distinkta områden med ett gap mellan dem från cirka två till fem gånger vår sols massa. Under årens lopp har ett litet antal mätningar inkräktat på massklyftan, som fortfarande är mycket debatterad bland astrofysiker.
Analys av signalen GW230529 visar att den kom från sammanslagning av två kompakta föremål, ett med en massa mellan 1,2 och 2,0 gånger vår sols massa och det andra något mer än dubbelt så massivt.
Även om gravitationsvågssignalen inte ger tillräckligt med information för att med säkerhet avgöra om dessa kompakta objekt är neutronstjärnor eller svarta hål, verkar det troligt att det lättare objektet är en neutronstjärna och det tyngre objektet ett svart hål. Forskare inom LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration är övertygade om att det tyngre föremålet är inom massgapet.
Gravitationsvågobservationer har nu gett nästan 200 mätningar av kompakta föremåls massor. Av dessa kan bara en annan sammanslagning ha involverat ett kompakt objekt med massgap – signalen GW190814 kom från sammanslagning av ett svart hål med ett kompakt objekt som överstiger massan av de tyngsta kända neutronstjärnorna och möjligen inom massgapet.
"Medan tidigare bevis för massgap-objekt har rapporterats både i gravitations- och elektromagnetiska vågor, är detta system särskilt spännande eftersom det är den första gravitationsvågsdetekteringen av ett massgap-objekt parat med en neutronstjärna", säger Dr. Sylvia Biscoveanu från Northwestern University. "Observationen av detta system har viktiga konsekvenser för både teorier om binär evolution och elektromagnetiska motsvarigheter till sammanslagningar av kompakta objekt."
Den fjärde observationskörningen är planerad att pågå i 20 månader inklusive ett par månaders uppehåll för att utföra underhåll av detektorerna och göra ett antal nödvändiga förbättringar. Den 16 januari 2024, när det nuvarande uppehållet började, hade totalt 81 betydande signalkandidater identifierats. GW230529 är den första av dessa som publiceras efter noggrann undersökning.
Den fjärde observationskörningen kommer att återupptas den 10 april 2024 med LIGO Hanford, LIGO Livingston och Virgo detektorer som fungerar tillsammans. Körningen kommer att fortsätta till februari 2025 utan ytterligare planerade observationsavbrott.
Medan observationskörningen fortsätter, analyserar LIGO-Virgo-KAGRA-forskare data från den första halvan av körningen och kontrollerar de återstående 80 signifikanta signalkandidaterna som redan har identifierats. I slutet av den fjärde observationskörningen i februari 2025 bör det totala antalet observerade gravitationsvågssignaler överstiga 200.
Ett arbetsdokument som beskriver resultaten har publicerats tillsammans med en sammanfattning.
Mer information: Uppsats:Observation av gravitationsvågor från koalescensen av ett 2,5-4,5 M⊙ kompakt objekt och en neutronstjärna
Forskningssammanfattning:GW230529:Observation av sammanslagning av en neutronstjärna och ett okänt kompakt objekt
Tillhandahålls av University of Portsmouth
