Uma colaboração de pesquisa internacional, incluindo astrônomos da Northwestern University, produziu o retrato de família de buracos negros mais detalhado até o momento, oferecendo novas pistas sobre como os buracos negros se formam. Uma análise intensa dos dados de ondas gravitacionais mais recentes disponíveis levou ao rico retrato, bem como a vários testes da teoria da relatividade geral de Einstein. (A teoria passou em cada teste.)

A equipe de cientistas que compõe a Colaboração Científica LIGO (LSC) e a Colaboração Virgo está agora compartilhando todos os detalhes de suas descobertas. Isso inclui novos candidatos à detecção de ondas gravitacionais que resistiram ao escrutínio - um total colossal de 39, representando uma variedade de buracos negros e estrelas de nêutrons - e novas descobertas como resultado da combinação de todas as observações. Os 39 eventos tiveram em média mais de um por semana de observação.

As observações podem ser uma peça-chave para resolver os muitos mistérios de como exatamente as estrelas binárias interagem. Uma melhor compreensão de como as estrelas binárias evoluem tem consequências na astronomia, de exoplanetas à formação de galáxias.

Os detalhes são relatados em um trio de artigos relacionados que estarão disponíveis em pré-impressão em 28 de outubro em arxiv.org. Os estudos também estão sendo submetidos a periódicos revisados ​​por pares.

Os sinais de ondas gravitacionais nos quais os estudos são baseados foram detectados durante a primeira metade da terceira execução de observação, chamado O3a, do Observatório de ondas gravitacionais de interferometria a laser (LIGO) da National Science Foundation, um par de idênticos, Interferômetros de 4 quilômetros de comprimento nos Estados Unidos, e Virgem, um detector de 3 quilômetros de comprimento na Itália. Os instrumentos podem detectar sinais de ondas gravitacionais de muitas fontes, incluindo buracos negros em colisão e estrelas de nêutrons em colisão.

"A astronomia de ondas gravitacionais é revolucionária, revelando-nos a vida oculta de buracos negros e estrelas de nêutrons, "disse Christopher Berry, membro do LSC e autor dos artigos. "Em apenas cinco anos, passamos de não saber que buracos negros binários existem para ter um catálogo de mais de 40. A terceira execução de observação rendeu mais descobertas do que nunca. Combiná-las com descobertas anteriores dá uma bela imagem da rica variedade do universo de binários. "

Berry é professora de pesquisa do Conselho de Visitantes do CIERA no CIERA (Centro para Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica) da Northwestern e palestrante na Universidade de Glasgow. Outros autores da Northwestern incluem os membros da CIERA Maya Fishbach e Chase Kimball. CIERA é o lar de um amplo grupo de pesquisadores em teoria, simulação e observação que estudam buracos negros, estrelas de nêutrons, anãs brancas e muito mais.

Como membro da colaboração, Os pesquisadores da Northwestern analisaram dados dos detectores de ondas gravitacionais para inferir as propriedades dos binários detectados de buracos negros e estrelas de nêutrons e para fornecer uma interpretação astrofísica dessas descobertas.

Os artigos são resumidos da seguinte forma:

• O "papel de catálogo" detalha as detecções de buracos negros e estrelas de nêutrons na primeira metade de O3a, elevando o número total de candidatos de detecção para esse período para 39. Esse número excede amplamente as detecções das duas primeiras execuções de observação. (A primeira execução teve três detecções de ondas gravitacionais, e o segundo tinha oito.) As detecções anunciadas anteriormente de O3a incluem um objeto misterioso na lacuna de massa (GW190814) e o primeiro de seu tipo buraco negro de massa intermediária (GW190521).
• No "papel das populações, "os pesquisadores reconstruíram a distribuição de massas e spins da população de buracos negros e estimaram a taxa de fusão de estrelas de nêutrons binárias. Os resultados ajudarão os cientistas a entender os processos astrofísicos detalhados que moldam a forma como esses sistemas se formam. Esta compreensão melhorada da distribuição de massa de buracos negros e saber que os giros dos buracos negros podem estar desalinhados sugere que pode haver várias maneiras de os buracos negros binários se formarem.
• Usando o conjunto de detecções relatado no papel do catálogo, os pesquisadores realizaram análises detalhadas combinando tudo. No que eles chamam de "artigo de teste da relatividade geral, "os autores colocaram restrições na teoria da relatividade geral de Einstein. A teoria foi aprovada com louvor, e eles atualizaram suas melhores medições em modificações potenciais.

"Até aqui, A terceira observação de LIGO e Virgem rendeu muitas surpresas, "disse Fishbach, um NASA Einstein Postdoctoral Fellow e membro do LSC. "Após a segunda corrida de observação, Achei que tivéssemos visto todo o espectro de buracos negros binários, mas a paisagem dos buracos negros é muito mais rica e variada do que eu imaginava. Estou animado para ver o que as observações futuras nos ensinarão. "

Fishbach coordenou a redação do artigo sobre populações que descreve o que a colaboração aprendeu sobre as propriedades da família de buracos negros e estrelas de nêutrons em fusão.

Berry ajudou a coordenar a análise como parte de uma equipe global para inferir as propriedades das detecções, e atuou como revisor do Conselho Editorial da LSC para o catálogo e testes de artigos sobre relatividade geral.

O estudante de graduação Chase Kimball, um membro LSC, contribuíram com cálculos das taxas de fusões para o papel das populações. Kimball é co-aconselhado por Berry e Vicky Kalogera, o principal investigador do grupo LSC da Northwestern, diretor do CIERA e professor ilustre de física e astronomia da Universidade Daniel I. Linzer no Weinberg College of Arts and Sciences.

Os detectores LIGO e Virgo terminaram sua última corrida de observação em março passado. Os dados analisados ​​nestes três jornais foram coletados a partir de 1º de abril, 2019, a 1 de outubro, 2019. Os pesquisadores estão em processo de análise de dados da segunda metade da execução de observação, O3b.

Os detectores estão programados para retomar a observação no próximo ano, após o trabalho ser feito para aumentar seu alcance de detecção.

"A fusão de buracos negros e binários de estrelas de nêutrons é um laboratório único, "Berry disse." Podemos usá-los para estudar a gravidade - até agora a relatividade geral de Einstein passou em todos os testes - e a astrofísica de como estrelas massivas vivem suas vidas. LIGO e Virgo transformaram nossa capacidade de observar esses binários, e, conforme nossos detectores melhoram, a taxa de descoberta só vai acelerar. "