Uniad twll du a seren niwtron wedi'i ganfod am y tro cyntaf

Mae gwyddonwyr, am y tro cyntaf, wedi canfod crychdonnau mewn gofod-amser a achoswyd gan wrthdrawiad rhwng seren niwtron a thwll du.

Mae dau achos o’r digwyddiad cosmig treisgar hwn wedi’u canfod gan ddefnyddio synwyryddion tonnau disgyrchol Advanced LIGO a Virgo. Mae manylion amdanynt wedi’u cyhoeddi heddiw yn Astrophysical Journal Letters.

Er bod canfyddiadau tonnau disgyrchol blaenorol wedi gweld tyllau duon yn gwrthdaro â'i gilydd, a sêr niwtron yn uno, dyma'r tro cyntaf i wyddonwyr ganfod gwrthdrawiad rhwng y ddau.

Meddai Dr Vivien Raymond, o Sefydliad Archwilio Disgyrchiant Prifysgol Caerdydd: “Ar ôl y canfyddiadau o dyllau duon yn uno â’i gilydd, a sêr niwtron yn uno â’i gilydd, mae gennym ran olaf y pos o’r diwedd: tyllau duon yn llyncu sêr niwtron yn gyfan. Mae'r arsylwad hwn wir yn cwblhau ein darlun o'r gwrthrychau dwysaf yn y bydysawd a'u diet.”

Cynhyrchir tonnau disgyrchol pan fydd gwrthrychau wybrennol yn gwrthdaro â'i gilydd ac mae'r egni sy'n dilyn yn creu crychdonnau yng ngofod-amser sy'n teithio'r holl ffordd at y synwyryddion sydd gennym yma ar y Ddaear.

Ar 5 Ionawr 2020, arsylwodd y synhwyrydd Advanced LIGO (ALIGO) yn Louisiana yn yr UDA a’r synhwyrydd Advanced Virgo yn yr Eidal donnau disgyrchol o’r math hollol newydd hwn o system seryddol.

Gwnaeth y synwyryddion ganfod troell olaf y droell farwolaeth rhwng seren niwtron a thwll du wrth iddynt gylchu'n agosach fyth ac uno gyda'i gilydd.

Yn rhyfeddol, ar 15 Ionawr, canfyddodd Virgo a dau synhwyrydd ALIGO ail signal – yn nhalaith Louisiana a Washington – unwaith eto yn dod o'r orbitau olaf ac yn chwalu seren niwtron arall â thwll du.

Chwaraeodd ymchwilwyr o Brifysgol Caerdydd, sy'n rhan o Gydweithrediad Gwyddonol LIGO, ran hanfodol wrth ddadansoddi data'r ddau ddigwyddiad, gan ddadansoddi'r signalau tonnau disgyrchol a llunio darlun o sut ddigwyddodd y gwrthdrawiadau eithafol.

Roedd hyn yn cynnwys cynhyrchu miliynau o donnau disgyrchol posibl a'u paru â'r data a arsylwyd i bennu nodweddion y gwrthrychau a gynhyrchodd y signalau yn y lle cyntaf, megis eu masau a'u lleoliad yn yr awyr.

O'r data roeddent yn gallu casglu bod y signal cyntaf, a alwyd yn GW200105, wedi'i achosi gan dwll du â màs 9-solar yn gwrthdaro â seren niwtron â màs 1.9-solar.

Dywedodd Dr Charlie Hoy, ymchwilydd ôl-ddoethurol yn y Sefydliad Archwilio Disgyrchiant, a gyfrannodd hefyd at y dadansoddiad: “Er mai dim ond un synhwyrydd y canfuwyd GW200105, rydym yn hyderus ei fod yn ddigwyddiad go iawn ac nid sŵn ar hap gan ein synwyryddion yn unig. Fe basiodd ein holl wiriadau ansawdd ac mae ei siâp yn wahanol i arteffactau sŵn ar hap yr ydym wedi'u gweld o'r blaen."

Dangosodd dadansoddiad o'r ail ddigwyddiad, GW200115, a ganfuwyd dim ond 10 diwrnod yn ddiweddarach, ei fod wedi dod o uniad twll du â màs 6-solar gyda seren niwtron â màs 1.5-solar, a'i fod wedi digwydd ychydig yn bellach, tua 1 biliwn o flynyddoedd golau o'r Ddaear.

“Roedd Virginia D’Emilio, un o fy myfyrwyr PhD yn y Sefydliad Archwilio Disgyrchiant, yn gyfrannwr blaenllaw at gasgliad priodweddau’r ffynonellau, gan gadarnhau eu natur seren niwtron a thwll du, ac roedd yn aelod o’r tîm a oedd yn arwain y cyhoeddiad. Roedd hwn yn ymchwiliad heriol a beirniadol gydag effaith bellgyrhaeddol yn y maes," parhaodd Dr Raymond.

Am sawl blwyddyn, ers canfod tonnau disgyrchol yn uniongyrchol am y tro cyntaf erioed yn 2015, mae seryddwyr wedi rhagweld y gallai’r math hwn o system – uniad twll du a seren niwtron – ddigwydd, ond heb unrhyw dystiolaeth arsylwadol gymhellol.

Nawr bod gwyddonwyr tonnau disgyrchol o'r diwedd wedi bod yn dyst i'r math newydd hwn o system, bydd eu canfyddiad yn dod â chliwiau newydd pwysig ynglŷn â sut caiff tyllau duon a sêr niwtron eu ffurfio.

Bydd hyn yn cael ei gynorthwyo gan grant newydd o £9.4m ar gyfer ymchwil tonnau disgyrchol a ddyfernir i brifysgolion a sefydliadau'r DU gan y STFC, a bydd £3m ohono'n mynd i Brifysgol Caerdydd dros y tair blynedd nesaf.

“Bydd y synwyryddion LIGO a Virgo yn dechrau pedwerydd rhediad cymryd data yn ystod haf 2022, gyda mwy o sensitifrwydd. Yn ystod y cyfnod rhedeg, rydym yn debygol iawn o arsylwi uniadau ychwanegol o Sêr Niwtron a Thyllau Du a chael gwell dealltwriaeth o sut caiff y systemau hyn eu ffurfio.

“Yn ddiweddar, dyfarnwyd cyllid o £3m i Brifysgol Caerdydd a fydd yn ein galluogi i barhau i chwarae rhan flaenllaw wrth nodi a deall signalau tonnau disgyrchol yn y rhediadau arsylwi sydd i ddod,” meddai’r Athro Stephen Fairhurst, Cyfarwyddwr y Sefydliad Archwilio Disgyrchiant ym Mhrifysgol Caerdydd