Ser lyset fra neutronstjernekollisioner

Da to neutronstjerner stødte sammen den 17. august, en udbredt eftersøgning af elektromagnetisk stråling fra begivenheden førte til observationer af lys fra eftergløden af ​​eksplosionen, endelig at forbinde en gravitationsbølge-producerende begivenhed med konventionel astronomi ved hjælp af lys, ifølge et internationalt hold af astronomer.

Tidligere gravitationsbølgedetekteringer af LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) og Jomfruen, et europæisk observatorium med base i Pisa, Italien, var forårsaget af kollisioner af to sorte huller. Sorte hul-kollisioner forventes generelt ikke at resultere i elektromagnetiske emissioner, og ingen blev opdaget.

"Et komplet billede af kompakte objektfusioner, imidlertid, kræver detektering af en elektromagnetisk modpart, " rapporterer forskerne online i dag (16. oktober) i Videnskab .

Detektionen den 17. august af en gravitationsbølge fra kollisionen af ​​to neutronstjerner af gravitationsbølgeobservatorier i USA og Europa initierede en hurtig kaskade af observationer af en række kredsende og jordbaserede teleskoper på jagt efter en elektromagnetisk modstykke.

To sekunder efter detektering af gravitationsbølgen, Gamma Ray Burst -skærmen på NASAs Fermi -rumfartøj opdagede et kort gammastråleudbrud i området af gravitationsbølgens oprindelse.

Mens Swift Gamma Ray Burst Explorer - en NASA-satellit i lav kredsløb om jorden, der indeholder tre instrumenter - Burst Alert Telescope, røntgenteleskopet og det ultraviolette/optiske teleskop – kan se en sjettedel af himlen ad gangen, den så ikke gammastrålen briste, fordi den del af himlen ikke dengang var synlig for Swift. Penn State er ansvarlig for Mission Operations Center for Swift, der kredser om Jorden hvert 96. minut og kan manøvrere for at observere et mål på så lidt som 90 sekunder.

Da Swift-teamet kendte det passende område at søge, det satte satellittens instrumenter i brug. Swift er især værdifuld i denne type begivenhed, fordi den kan flytte til et mål meget hurtigt. I dette tilfælde, teleskopet blev målrettet om cirka 16 minutter efter at være blevet underrettet af LIGO/Virgo, og begyndte at søge efter en elektromagnetisk pendant.

I første omgang, på grund af forudsigelserne fra teoretiske modeller, forskerne troede, at den elektromagnetiske stråling, de ville se, ville være røntgenstråler. Det er derfor NASAs NuSTAR, (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), som ser på røntgenstråler, søgte også på himlen efter elektromagnetiske signaler. Hverken Swift eller NuSTAR opdagede nogen røntgenstråler.

"For gammastråleudbrud, modeller forudsiger, at en tidlig røntgen-emission ville blive set, " sagde Aaron Tohuvavohu, Swift videnskabsoperationer og forskningsassistent, Penn State. "Men der var ingen sporbar fra denne begivenhed før 9 dage efter fusionen."

I stedet, Swift identificerede en hurtigt falmende ultraviolet efterglød.

"Den tidlige UV-emission var uventet og meget spændende, " tilføjede Tohuvavohu.

Gammastråleudbrud vises som et retningsbestemt energiudbrud fra kollapsede massive stjerner. Enhver type detektor skal være inden for en bestemt bue af udbruddet for at se den. Efterglødningen af ​​eksplosionen, er dog mere omnidirektionel.

"Uanset hvad vi troede skulle ske, var ikke det, der faktisk skete, " sagde Jamie A Kennea, hoved, Swift Science Operations-team og forskningslektor i astronomi og astrofysik, Penn State. "Den næste neutronstjerne-neutronstjerne-fusionsbegivenhed kunne se meget anderledes ud."

Kombinationen af ​​lokalitetsdata fra de forskellige observationer af begivenheden gav et godt skøn over, hvor de to stjerner var i universet.

"Swift lagde fliser på hele marken i det identificerede område og fandt ikke andet, der kunne have forårsaget emissionen, " sagde Michael H. Siegel, lektor i forskning og leder af Ultraviolet Optical Telescope -teamet, Penn State. "Vi er overbeviste om, at dette er modstykket til den detekterede gravitationsbølge, som LIGO så."

Swift-opdagelsen er spektakulær, fordi den er forbundet med en gravitationsbølgebegivenhed, som gør dette til en bonafide dobbelt neutronstjernefusion, sagde Peter Mészáros, Eberly formand for astronomi og astrofysik og professor i fysik, Penn State, som har studeret gammastråleudbrud og gravitationsbølger indgående.

"Det overraskende er, at vi nu kun har optiske, men ikke røntgenstråler, " sagde Mészáros. "Typisk, en neutronstjerne-neutronstjernefusion skulle have røntgenstråler i lang tid med optiske emissioner, der falmer relativt hurtigere. Det eneste man kan udlede af dette, baseret på de modeller, som jeg og andre har udviklet, er, at røntgenstrålen er smallere og ikke rettet direkte mod os. "

I dette tilfælde, fusionen ville have produceret røntgenstråler, men de ville have været peget i en retning væk fra Jorden, forhindrer Swift og NuSTAR i at opdage de første røntgenstråler.

Mészáros bemærker, at gravitationsbølgerne så ud som om de kom fra objekter, der er mindre i masse end sorte huller, som pegede på neutronstjerner, og at de elektromagnetiske emissioner separat korreleret til begivenheden giver to måder at bevise positivt på, at dette er en neutronstjernefusion.

Neutronstjerne-neutronstjernekollisionen fandt sted 130 millioner lysår væk i en anden galakse. Et lysår er den afstand, lys kan rejse på et år, som er næsten 6 billioner miles.

Ifølge forskerne, denne begivenhed var tæt på vores solsystem efter astronomiske standarder. Sort hul-sort hul kollisioner oprindeligt opdaget af LIGO, i modsætning, var milliarder af lysår væk.

"En kollision mellem neutronstjerner og neutronstjerner var vores bedste håb om en elektromagnetisk signatur, " sagde Kennea. "Men det er stadig overraskende, at vi fik en på vores første neutronstjerne-neutronstjernekollision."