July 31, 2021
Observatorium Gelombang Gravitasi Mendeteksi Penggabungan Langka Lubang Hitam Dengan Bintang Neutron untuk Pertama Kalinya

Observatorium Gelombang Gravitasi Mendeteksi Penggabungan Langka Lubang Hitam Dengan Bintang Neutron untuk Pertama Kalinya

Gambar dari simulasi relativitas numerik kolaborasi MAYA dari penggabungan biner NSBH, menunjukkan gangguan Bintang Neutron. Kredit: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech), dan Karan Jani (Vanderbilt)

Salvatore Vitale menjelaskan bagaimana sinyal gelombang gravitasi menunjukkan lubang hitam benar-benar melahap bintang neutron pendampingnya.

Baru-baru ini, tim ilmuwan internasional, termasuk peneliti di MIT, mengumumkan deteksi jenis baru sistem astrofisika: tabrakan antara lubang hitam dan bintang neutron — dua objek terpadat dan paling eksotis di alam semesta.

Para ilmuwan telah mendeteksi sinyal tabrakan lubang hitam, dan bintang neutron bertabrakan, tetapi belum mengkonfirmasi penggabungan lubang hitam dengan bintang neutron sampai sekarang. Dalam sebuah penelitian yang muncul hari ini di Surat Jurnal Astrofisika, para ilmuwan melaporkan mengamati tidak hanya satu, tetapi dua peristiwa langka seperti itu, yang masing-masing mengeluarkan gelombang gravitasi yang bergema di petak besar alam semesta sebelum mencapai Bumi pada Januari 2020, hanya berjarak 10 hari.

Gelombang gravitasi dari kedua tabrakan dideteksi oleh Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) National Science Foundation di Amerika Serikat, dan oleh Virgo di Italia. Peristiwa tersebut diberi nama GW200105 dan GW200115, untuk tanggal ketika setiap gelombang gravitasi diamati. Kedua sinyal mewakili saat-saat terakhir sebagai lubang hitam dan bintang neutron berputar dan bergabung bersama. Untuk GW200105, lubang hitam diperkirakan sekitar 9 kali massa matahari, dengan bintang neutron pendamping sekitar 1,9 massa matahari. Kedua objek tersebut diperkirakan telah menyatu sekitar 900 juta tahun yang lalu. GW200115 adalah produk dari lubang hitam bermassa 6 matahari, yang bertabrakan dengan bintang neutron sekitar 1,5 kali massa matahari kita, sekitar 1 miliar tahun yang lalu. Dalam kedua peristiwa tersebut, lubang hitam cukup besar sehingga mereka mungkin melahap bintang neutron mereka sepenuhnya, meninggalkan sangat sedikit atau tidak ada cahaya setelahnya.

Anggota tim LIGO Salvatore Vitale, asisten profesor fisika MIT, dan anggota Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, berbicara dengan Berita MIT tentang kelangkaan kedua deteksi, dan apa yang dapat diungkapkan oleh penggabungan lubang hitam dan bintang neutron tentang evolusi bintang di alam semesta.

Salvatore Vitale

Salvatore Vitale, asisten profesor fisika di MIT dan anggota LIGO Scientific Collaboration. Kredit: Courtesy of MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research

T: Beri tahu kami tentang sistem ekstrem yang sulit dipahami ini. Secara umum, apa yang diketahui tentang tabrakan yang melibatkan lubang hitam dan bintang neutron sebelum deteksi ini?

SEBUAH: Baik bintang neutron dan lubang hitam ditinggalkan oleh bintang masif begitu mereka kehabisan bahan bakar nuklir. Karena sebagian besar bintang di alam semesta berada dalam sistem biner, orang akan mengharapkan adanya semua kemungkinan kombinasi berpasangan: dua bintang neutron, dua lubang hitam, atau bintang neutron dan lubang hitam.

Biner bintang neutron telah dikenal selama beberapa dekade, ditemukan menggunakan radiasi elektromagnetik. Biner lubang hitam diamati untuk pertama kalinya pada tahun 2015, dengan deteksi gelombang gravitasi GW150914. Setelah itu, detektor gelombang gravitasi seperti LIGO dan Virgo telah menemukan puluhan lubang hitam biner dan dua bintang neutron biner. Namun, biner dengan satu bintang neutron dan satu lubang hitam (NSBH) belum pernah ditemukan menggunakan radiasi elektromagnetik, atau dengan gelombang gravitasi, setidaknya sampai sekarang.

T: Apa yang dapat Anda ketahui dari sinyal tentang kemungkinan skenario yang dapat menyatukan objek-objek ini?

Sayangnya, tidak terlalu banyak, pada tahap ini! Skenario yang paling mungkin adalah bahwa dua objek di setiap biner telah bersama sepanjang hidup mereka, sebagai bintang raksasa. Saat mereka kehabisan bahan bakar, mereka mengalami ledakan kuat yang dikenal sebagai supernova, meninggalkan bintang neutron dan lubang hitam. Kedua objek dalam biner kemudian semakin dekat dan dekat, karena mereka kehilangan energi melalui emisi gelombang gravitasi, hingga mereka bertabrakan. LIGO dan Virgo melihat beberapa detik terakhir menuju tabrakan.

Secara teoritis penggabungan ini dapat menghasilkan cahaya, yang sangat menarik! Namun, agar itu terjadi, seseorang membutuhkan beberapa materi yang tersisa di sekitar sistem setelah tumbukan. Sayangnya, jika lubang hitam terlalu masif, atau jika tidak berputar cukup cepat di sekitar porosnya, ia akan menelan bintang neutron sepenuhnya sebelum memiliki kesempatan untuk terkoyak. Ketika ini terjadi, tidak ada materi yang tertinggal, dan karenanya tidak ada cahaya. Inilah yang mungkin terjadi dengan kedua deteksi gelombang gravitasi ini.

Namun, ada juga kemungkinan bahwa cahaya sebenarnya dipancarkan tetapi tidak terdeteksi oleh teleskop yang menindaklanjuti sistem ini. Ini karena posisi mereka di langit – berdasarkan data gelombang gravitasi – agak tidak pasti, yang menyiratkan bahwa teleskop mungkin tidak memiliki kesempatan untuk menemukan pasangan elektromagnetik sebelum menghilang.

T: Apa arti keseluruhan dari deteksi baru ini? Dan jalan apa yang terbuka ini dalam pemahaman kita tentang alam semesta?

SEBUAH: Kedua sistem ini penting karena merupakan penemuan jelas pertama dari biner lubang hitam bintang neutron, sejenis sumber yang belum pernah diamati, baik dengan gelombang elektromagnetik maupun gravitasi. Ini memberi tahu kita bahwa sistem ini memang ada tetapi lebih jarang daripada bintang neutron biner. Dengan hanya dua sumber, jumlahnya masih sangat tidak pasti, tetapi kira-kira: untuk setiap 10 biner bintang neutron, ada satu penggabungan NSBH.

Tingkat penggabungan yang telah kami hitung menggunakan dua sinyal ini, dan sifat-sifat benda padat, akan sangat membantu para astronom dan pemodel yang mencoba memahami pembentukan dan evolusi NSBH.

Faktanya, karena tidak ada yang pernah diamati sebelumnya, tidak ada cara yang baik untuk menyempurnakan model teoritis dan numerik. Model-model itu rumit dan bergantung pada banyak parameter fisik sistem biner, serta sejarahnya. Misalnya: Seberapa dahsyat ledakan supernova yang meninggalkan bintang neutron dan lubang hitam? Apakah begitu kuat sehingga dapat menghancurkan sistem biner sama sekali?

Akhirnya memiliki akses ke merger NSBH akan membantu menyempurnakan model ini, dan karenanya pemahaman kita tentang pembentukan dan evolusi objek kompak.

Untuk lebih lanjut tentang penelitian ini:

Referensi: “Pengamatan Gelombang Gravitasi dari Dua Bintang Neutron–Koalesensi Lubang Hitam” oleh R. Abbott, TD Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, A. Adams, C. Adams, RX Adhikari, VB Adya, C. Affeldt […] AB Zimmerman, Y. Zlochower, ME Zucker, J. Zweizig dan Kolaborasi Ilmiah LIGO, Kolaborasi Virgo, dan Kolaborasi KAGRA, 29 Juni 2021, Surat Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac082e