Tanto tempo fa, in due galassie a circa 900 milioni di anni luce di distanza, due buchi neri hanno divorato ciascuno le loro compagne di stelle di neutroni, innescando onde gravitazionali che finalmente hanno colpito la Terra nel gennaio 2020.

Scoperto da un team internazionale di astrofisici tra cui ricercatori della Northwestern University, due eventi, rilevati a soli 10 giorni di distanza, segnano il primo rilevamento in assoluto di un buco nero che si fonde con una stella di neutroni. I risultati consentiranno ai ricercatori di trarre le prime conclusioni sulle origini di questi rari sistemi binari e sulla frequenza con cui si fondono.

"Le onde gravitazionali ci hanno permesso di rilevare le collisioni di coppie di buchi neri e coppie di stelle di neutroni, ma la collisione mista di un buco nero con una stella di neutroni è stata l'elusivo pezzo mancante del quadro familiare delle fusioni di oggetti compatti, " ha detto Chase Kimball, uno studente laureato del Northwestern che ha co-autore dello studio. "Completare questo quadro è fondamentale per limitare la serie di modelli astrofisici di formazione di oggetti compatti e di evoluzione binaria. Intrinseci a questi modelli sono le loro previsioni delle velocità con cui i buchi neri e le stelle di neutroni si fondono tra loro. Con queste rilevazioni, finalmente abbiamo misurazioni dei tassi di fusione in tutte e tre le categorie di fusioni binarie compatte".

La ricerca sarà pubblicata il 29 giugno nel Lettere per riviste astrofisiche . Il team comprende ricercatori della LIGO Scientific Collaboration (LSC), la collaborazione Virgo e il progetto Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). Un membro LSC, Kimball ha condotto i calcoli delle stime del tasso di fusione e di come si adattano alle previsioni dei vari canali di formazione delle stelle di neutroni e dei buchi neri. Ha anche contribuito alle discussioni sulle implicazioni astrofisiche della scoperta.

Kimball è co-consigliato da Vicky Kalogera, il ricercatore principale del gruppo LSC della Northwestern, direttore del Centro per l'esplorazione e la ricerca interdisciplinare in astrofisica (CIERA) e Daniel I. Linzer Distinguished Professor di Fisica e Astronomia presso i Weinberg College of Arts and Sciences; e da Christopher Berry, un membro LSC e il CIERA Board of Visitors Research Professor alla Northwestern, nonché docente presso l'Institute for Gravitational Research presso l'Università di Glasgow. Altri coautori del Northwestern includono Maya Fishbach, un borsista postdottorato della NASA Einstein e membro LSC.

Due eventi in dieci giorni

Il team ha osservato i due nuovi eventi di onde gravitazionali, soprannominati GW200105 e GW200115, il 5 gennaio, 2020, e 15 gennaio, 2020, durante la seconda metà della terza sessione osservativa dei rivelatori LIGO e Virgo, chiamato O3b. Sebbene più osservatori abbiano effettuato diverse osservazioni di follow-up, nessuno ha osservato la luce di entrambi gli eventi, coerente con le masse e le distanze misurate.

"Dopo la stuzzicante scoperta, annunciato nel giugno 2020, di una fusione di un buco nero con un oggetto misterioso, che potrebbe essere la stella di neutroni più massiccia conosciuta, è entusiasmante anche avere l'individuazione di fusioni miste chiaramente identificate, come previsto dai nostri modelli teorici ormai da decenni, " Ha detto Kalogera. "La corrispondenza quantitativa dei vincoli di tasso e delle proprietà per tutti e tre i tipi di popolazione sarà un modo potente per rispondere alle domande fondamentali sulle origini".

Tutti e tre i grandi rivelatori (sia gli strumenti LIGO che lo strumento Virgo) hanno rilevato GW200115, risultato della fusione di un buco nero di massa 6 solare con una stella di neutroni di massa 1,5 solare, a circa 1 miliardo di anni luce dalla Terra. Con le osservazioni dei tre rivelatori ampiamente separati sulla Terra, la direzione verso l'origine delle onde può essere determinata ad una parte del cielo equivalente all'area coperta da 2, 900 lune piene.

Solo 10 giorni prima, LIGO ha rilevato un segnale forte da GW200105, utilizzando un solo rilevatore mentre l'altro era temporaneamente offline. Mentre anche la Vergine osservava, il segnale era troppo debole nei suoi dati perché la Vergine potesse aiutarlo a rilevarlo. Dalle onde gravitazionali, gli astronomi hanno dedotto che il segnale è stato causato da un buco nero di massa 9 solare in collisione con un oggetto compatto di massa solare 1,9, che alla fine conclusero che era una stella di neutroni. Questa fusione è avvenuta a una distanza di circa 900 milioni di anni luce dalla Terra.

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."