Una collaborazione di ricerca internazionale che include gli astronomi della Northwestern University ha prodotto il ritratto di famiglia di buchi neri più dettagliato fino ad oggi, offrendo nuovi indizi su come si formano i buchi neri. Un'analisi approfondita dei più recenti dati disponibili sulle onde gravitazionali ha portato al ricco ritratto e ai test multipli della teoria della relatività generale di Einstein. (La teoria ha superato ogni test.)

Il team di scienziati che compongono la LIGO Scientific Collaboration (LSC) e la Virgo Collaboration sta ora condividendo tutti i dettagli delle sue scoperte. Ciò include nuovi candidati per il rilevamento di onde gravitazionali che hanno resistito all'esame accurato, un totale enorme di 39, che rappresentano una varietà di buchi neri e stelle di neutroni e nuove scoperte come risultato della combinazione di tutte le osservazioni. I 39 eventi hanno avuto una media di più di uno a settimana di osservazione.

Le osservazioni potrebbero essere un elemento chiave per risolvere i molti misteri di come interagiscono esattamente le stelle binarie. Una migliore comprensione di come si evolvono le stelle binarie ha conseguenze in tutta l'astronomia, dagli esopianeti alla formazione di galassie.

I dettagli sono riportati in un trio di articoli correlati che saranno disponibili in prestampa il 28 ottobre su arxiv.org. Gli studi sono anche sottoposti a riviste peer-reviewed.

I segnali di onde gravitazionali su cui si basano gli studi sono stati rilevati durante la prima metà della terza sessione di osservazione, chiamato O3a, dell'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometria laser della National Science Foundation (LIGO), un paio di identici, Interferometri lunghi 4 chilometri negli Stati Uniti, e Vergine, un rivelatore lungo 3 chilometri in Italia. Gli strumenti possono rilevare segnali di onde gravitazionali da molte sorgenti, inclusi buchi neri in collisione e stelle di neutroni in collisione.

"L'astronomia delle onde gravitazionali è rivoluzionaria, rivelandoci le vite nascoste dei buchi neri e delle stelle di neutroni, " ha detto Christopher Berry, un membro LSC e autore dei documenti. "In soli cinque anni siamo passati dal non sapere che esistono buchi neri binari ad avere un catalogo di oltre 40. La terza serie di osservazioni ha prodotto più scoperte che mai. Combinandole con le scoperte precedenti si dipinge un bellissimo quadro della ricca varietà dell'universo. dei binari".

Berry è il CIERA Board of Visitors Research Professor presso il CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics) della Northwestern e docente presso l'Università di Glasgow. Altri autori del Northwestern includono i membri del CIERA Maya Fishbach e Chase Kimball. CIERA è sede di un ampio gruppo di ricercatori in teoria, simulazione e osservazione che studiano i buchi neri, stelle di neutroni, nane bianche e altro.

In qualità di membro della collaborazione, I ricercatori della Northwestern hanno analizzato i dati dei rilevatori di onde gravitazionali per dedurre le proprietà dei buchi neri rilevati e dei binari binari delle stelle di neutroni e per fornire un'interpretazione astrofisica di queste scoperte.

Le carte sono così riassunte:

• La "carta del catalogo" descrive in dettaglio le rilevazioni di buchi neri e stelle di neutroni dalla prima metà di O3a, portando il numero totale di candidati al rilevamento per quel periodo a 39. Questo numero supera di gran lunga i rilevamenti delle prime due sessioni di osservazione. (La prima corsa ha avuto tre rilevazioni di onde gravitazionali, e il secondo ne aveva otto.) I rilevamenti annunciati in precedenza da O3a includono un oggetto misterioso nel gap di massa (GW190814) e il primo buco nero di massa intermedia nel suo genere (GW190521).
• Nel "documento sulle popolazioni, " i ricercatori hanno ricostruito la distribuzione delle masse e degli spin della popolazione dei buchi neri e hanno stimato il tasso di fusione per le stelle di neutroni binarie. I risultati aiuteranno gli scienziati a comprendere i processi astrofisici dettagliati che modellano il modo in cui si formano questi sistemi. Ciò ha migliorato la comprensione della distribuzione di massa di buchi neri e sapere che gli spin dei buchi neri possono essere disallineati suggerisce che potrebbero esserci più modi per formare i buchi neri binari.
• Utilizzando l'insieme delle rilevazioni riportate nel catalogo cartaceo, i ricercatori hanno condotto un'analisi dettagliata combinando tutto insieme. In quello che chiamano il "documento di verifica della relatività generale, " gli autori hanno posto dei vincoli alla teoria della relatività generale di Einstein. La teoria è passata a pieni voti, e hanno aggiornato le loro migliori misurazioni su potenziali modifiche.

"Finora, La terza serie osservativa di LIGO e Virgo ha riservato molte sorprese, " disse Fishbach, un borsista postdottorato della NASA Einstein e membro LSC. "Dopo la seconda sessione di osservazione, Pensavo avessimo visto l'intero spettro dei buchi neri binari, ma il panorama dei buchi neri è molto più ricco e vario di quanto immaginassi. Sono entusiasta di vedere cosa ci insegneranno le osservazioni future".

Fishbach ha coordinato la stesura dell'articolo sulle popolazioni che delinea ciò che la collaborazione ha appreso sulle proprietà della famiglia della fusione di buchi neri e stelle di neutroni.

Berry ha aiutato a coordinare l'analisi come parte di un team globale per dedurre le proprietà dei rilevamenti, e ha lavorato come revisore del comitato editoriale LSC per il catalogo e testando articoli sulla relatività generale.

Lo studente laureato Chase Kimball, un membro LSC, contribuito calcoli dei tassi di fusioni alla carta popolazioni. Kimball è co-consigliato da Berry e Vicky Kalogera, il ricercatore principale del gruppo LSC della Northwestern, direttore del CIERA e Daniel I. Linzer Distinguished University Professor di Fisica e Astronomia presso il Weinberg College of Arts and Sciences.

I rivelatori LIGO e Virgo hanno terminato la loro ultima corsa osservativa lo scorso marzo. I dati analizzati in questi tre articoli sono stati raccolti dal 1 aprile, 2019, al 1 ottobre, 2019. I ricercatori stanno analizzando i dati della seconda metà della corsa osservativa, O3b.

I rivelatori dovrebbero riprendere l'osservazione il prossimo anno dopo che il lavoro è stato fatto per aumentare il loro raggio di rilevamento.

"L'unione di binari di buchi neri e stelle di neutroni è un laboratorio unico, "Possiamo usarli per studiare sia la gravità - finora la relatività generale di Einstein ha superato ogni test - sia l'astrofisica di come le stelle massicce vivono le loro vite". LIGO e Virgo hanno trasformato la nostra capacità di osservare questi binari, e, man mano che i nostri rilevatori migliorano, il tasso di scoperta non farà altro che accelerare".