GW200105: Prvi dokazani sudar neutron zvezde i crne rupe sa ekscentričnom orbitom otkriva haotično poreklo

Nova, dublja analiza signala GW200105 — detektovanog 5. januara 2020. tokom treće posmatračke runde Advanced LIGO i Virgo — pokazuje da je reč o sudaru neutron zvezde i crne rupe koje su se kretale po jasno ekscentričnoj (eliptičnoj) putanji, a ne po skoro savršeno kružnoj orbiti kako se do sada pretpostavljalo.

Artist’s impression of an eccentric neutron star–black hole binary. The neutron star’s path is shown in blue and the black hole’s motion in orange as the two objects orbit each other. The eccentricity shown here is exaggerated compared to the real system, GW200105, to make the effect on the orbital motion clearer. (CREDIT: Geraint Pratten, Royal Society University Research Fellow, University of Birmingham)

Kako su došli do tog zaključka

Tim istraživača iz The Astrophysical Journal Letters (uključujući University of Birmingham, Universidad Autónoma de Madrid i Max Planck Institute for Gravitational Physics) izvršio je reverznu analizu LIGO/Virgo podataka koristeći nov model talasnih oblika (pyEFPE) koji uzima u obzir ekscentricitet i orbitalnu precesiju. Analizom hiljade teorijskih talasnih oblika uz pomoć Bejzovske statistike identifikovan je najverovatniji model koji odgovara detektovanom signalu.

Measured eccentricity distribution in GW200105. One-dimensional posterior probability distribution for our measurement of the orbital eccentricity at a GW frequency of 20 Hz. The solid vertical line indicates the median and the two dashed lines the 90% credible interval. (CREDIT: The Astrophysical Journal Letters)

Glavni rezultati

Istraživači su utvrdili medijan ekscentriciteta ≈ 0.14 pri 20 Hz. Donja granica 99% intervala poverenja ostaje iznad nule, što omogućava sa velikom sigurnošću isključenje potpuno kružne orbite. Upotrebom modela sa ekscentricitetom revidirane su i procene masa: crna rupa ~11.5 M☉, a neutron zvezda ~1.5 M☉. Ranije analize koje su pretpostavljale kružnu orbitu davale su drugačije vrednosti (~8.9 M☉ i ~1.9 M☉).

Inferred eccentricity and precessing spin distributions in GW200105. One-dimensional and two-dimensional posterior probability distributions for our measurement of the orbital eccentricity and the precession spin χp at a GW frequency of 20 Hz. (CREDIT: The Astrophysical Journal Letters)

Šta to znači za poreklo sistema

Ekscentricitet ukazuje na dinamičku, haotičnu prošlost sistema, verovatno povezanost sa okolinom: najverovatnije scenarije su formiranje unutar gustog zvezdanog skupa gde bliski susreti menjaju orbite, ili u hijerarhijskoj trostrukoj konfiguraciji gde treći objekat održava izduženost orbite.

Eccentric-precessing analysis of BNS and NSBH events. One-dimensional posterior distributions for the eccentricity at 20 Hz inferred from Bayesian inference with the eccentric-precessing pyEFPE model and uniform eccentricity priors on the two BNS events, GW170817 and GW190425, and the NSBH events GW190426, GW190917, GW200115, GW200105, and GW230529. (CREDIT: The Astrophysical Journal Letters)

"Ovo otkriće daje izuzetno važan novi dokaz o tome kako se ovi ekstremni kosmički sistemi formiraju..." — dr Patricia Schmidt, University of Birmingham.

Pouzdanost i dalja provera

Opsežna testiranja ukazuju da je nalaz robustan: simulacije pokazuju da bi slučajni šum dao isti nivo ekscentriciteta samo u ~0.023% slučajeva. Analize takođe ne ukazuju da greške u modelima ili strategijama uzorkovanja mogu objasniti nalaz.

Measured properties of GW200105. One- and two-dimensional posterior probability distributions of the component masses, effective inspiral spin χeff, effective precession spin χp, and the orbital eccentricity at a GW frequency of 20 Hz inferred with the eccentric-precessing pyEFPE waveform model. (CREDIT: The Astrophysical Journal Letters)

Šta sleduje

GW200105 je za sada neobičan među poznatim gravitacionim talasima — druge analize sličnih sudara nisu otkrile jasne tragove ekscentriciteta. Kako broj detekcija raste i kako budu radili napredniji instrumenti (sledeća generacija zemaljskih detektora i svemirska misija LISA), očekuje se otkrivanje većeg broja ekscentričnih binarnih sistema i bolje razumevanje sredina u kojima nastaju.

Rad je dostupan u The Astrophysical Journal Letters. Originalna vest je objavljena u The Brighter Side of News.