A muito tempo atrás, em duas galáxias a cerca de 900 milhões de anos-luz de distância, dois buracos negros, cada um devorando suas companheiras estrelas de nêutrons, desencadeando ondas gravitacionais que finalmente atingiram a Terra em janeiro de 2020.

Descoberto por uma equipe internacional de astrofísicos, incluindo pesquisadores da Northwestern University, dois eventos - detectados com apenas 10 dias de intervalo - marcam a primeira detecção de um buraco negro se fundindo com uma estrela de nêutrons. As descobertas permitirão aos pesquisadores tirar as primeiras conclusões sobre as origens desses raros sistemas binários e com que frequência eles se fundem.

"As ondas gravitacionais nos permitiram detectar colisões de pares de buracos negros e pares de estrelas de nêutrons, mas a colisão mista de um buraco negro com uma estrela de nêutrons foi a peça que faltava na imagem familiar de fusões de objetos compactos, "disse Chase Kimball, um estudante de graduação da Northwestern que foi coautor do estudo. "Completar este quadro é crucial para restringir o hospedeiro de modelos astrofísicos de formação de objetos compactos e evolução binária. Inerentes a esses modelos são suas previsões das taxas de fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons entre si. Com essas detecções, finalmente temos medidas das taxas de fusão em todas as três categorias de fusões binárias compactas. "

A pesquisa será publicada no dia 29 de junho no Astrophysical Journal Letters . A equipe inclui pesquisadores da Colaboração Científica LIGO (LSC), a Colaboração Virgo e o projeto Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). Um membro LSC, Kimball liderou os cálculos das estimativas da taxa de fusão e como elas se encaixam nas previsões dos vários canais de formação de estrelas de nêutrons e buracos negros. Ele também contribuiu para discussões sobre as implicações astrofísicas da descoberta.

Kimball é co-aconselhado por Vicky Kalogera, o investigador principal do grupo LSC da Northwestern, diretor do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA) e Daniel I. Linzer Professor Distinto de Física e Astronomia nas Faculdades de Artes e Ciências de Weinberg; e por Christopher Berry, um membro do LSC e do CIERA Board of Visitors Research Professor da Northwestern, bem como um palestrante do Institute for Gravitational Research da University of Glasgow. Outros co-autores da Northwestern incluem Maya Fishbach, um NASA Einstein Postdoctoral Fellow e membro do LSC.

Dois eventos em dez dias

A equipe observou os dois novos eventos de ondas gravitacionais - apelidados de GW200105 e GW200115 - em 5 de janeiro, 2020, e 15 de janeiro, 2020, durante a segunda metade da terceira execução de observação dos detectores LIGO e Virgem, chamado O3b. Embora vários observatórios tenham realizado várias observações de acompanhamento, nenhuma luz observada de qualquer evento, consistente com as massas e distâncias medidas.

"Seguindo a descoberta tentadora, anunciado em junho de 2020, de uma fusão de buraco negro com um objeto misterioso, que pode ser a estrela de nêutrons mais massiva conhecida, é emocionante também ter a detecção de fusões mistas claramente identificadas, como previsto por nossos modelos teóricos há décadas, Kalogera disse. "Combinar quantitativamente as restrições de taxas e propriedades para todos os três tipos de população será uma maneira poderosa de responder às questões fundamentais sobre as origens."

Todos os três detectores grandes (ambos os instrumentos LIGO e o instrumento Virgo) detectaram GW200115, que resultou da fusão de um buraco negro de 6 massas solares com uma estrela de nêutrons de 1,5 massa solar, cerca de 1 bilhão de anos-luz da Terra. Com observações dos três detectores amplamente separados na Terra, a direção da origem das ondas pode ser determinada para uma parte do céu equivalente à área coberta por 2, 900 luas cheias.

Apenas 10 dias antes, LIGO detectou um sinal forte de GW200105, using just one detector while the other was temporarily offline. While Virgo also was observing, 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."