Radioobservationer peger på en sandsynlig forklaring på neutronstjernefusionsfænomener

Tre måneders observationer med National Science Foundations Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) har gjort det muligt for astronomer at nulstille sig til den mest sandsynlige forklaring på, hvad der skete i kølvandet på den voldsomme kollision af et par neutronstjerner i en galakse 130 millioner lysår fra Jorden. Det, de lærte, betyder, at astronomer vil være i stand til at se og studere mange flere sådanne kollisioner.

Den 17. august 2017, LIGO og VIRGO gravitationsbølgeobservatorierne kombinerede for at lokalisere de svage krusninger i rumtiden forårsaget af sammensmeltningen af ​​to supertætte neutronstjerner. Det var den første bekræftede påvisning af en sådan fusion og kun den femte direkte påvisning nogensinde af gravitationsbølger, forudsagt for mere end et århundrede siden af ​​Albert Einstein.

Tyngdebølgerne blev efterfulgt af udbrud af gammastråler, røntgenstråler, og synligt lys fra arrangementet. VLA opdagede de første radiobølger, der kom fra begivenheden den 2. september. Dette var første gang, et astronomisk objekt var blevet set med både gravitationsbølger og elektromagnetiske bølger.

Timingen og styrken af ​​den elektromagnetiske stråling ved forskellige bølgelængder gav videnskabsmænd ledetråde om arten af ​​fænomenerne skabt af den indledende neutron-stjernekollision. Forud for august-arrangementet, teoretikere havde foreslået flere ideer – teoretiske modeller – om disse fænomener. Som den første sådan kollision, der blev positivt identificeret, august-begivenheden gav den første mulighed for at sammenligne forudsigelser af modellerne med faktiske observationer.

Astronomer, der bruger VLA, sammen med Australia Telescope Compact Array og Giant Metrewave Radio Telescope i Indien, observerede regelmæssigt objektet fra september og frem. Radioteleskoperne viste, at radioemissionen støt tog til i styrke. Baseret på dette, astronomerne identificerede det mest sandsynlige scenarie for fusionens efterspil.

"Den gradvise lysere radiosignal indikerer, at vi ser en vidvinkeludstrømning af materiale, rejser med hastigheder, der kan sammenlignes med lysets hastighed, fra neutronstjernefusionen, " sagde Kunal Mooley, nu en National Radio Astronomy Observatory (NRAO) Jansky Postdoc Fellow, som er vært for Caltech.

De observerede målinger hjælper astronomerne med at finde ud af rækkefølgen af ​​begivenheder udløst af kollisionen af ​​neutronstjernerne.

Den første sammensmeltning af de to supertætte objekter forårsagede en eksplosion, kaldet en kilonova, der drev en sfærisk skal af affald udad. Neutronstjernerne kollapsede til en rest, muligvis et sort hul, hvis kraftige tyngdekraft begyndte at trække materiale hen imod sig. Dette materiale dannede en hurtigt roterende skive, der genererede et par smalle, superhurtige stråler af materiale, der strømmer ud fra dens poler.

Hvis en af ​​jetflyene pegede direkte mod Jorden, vi ville have set et kortvarigt gammastråleudbrud, som mange har set før, sagde forskerne.

"Det var tydeligvis ikke tilfældet, " sagde Mooley.

Nogle af de tidlige målinger af begivenheden i august antydede i stedet, at et af jetflyene kunne have været rettet lidt væk fra Jorden. Denne model ville forklare det faktum, at radio- og røntgenstrålingen først blev set nogen tid efter kollisionen.

"Den enkle model - af et jetfly uden struktur (en såkaldt tophat jet) set uden for aksen - ville få radio- og røntgenstrålingen til at blive langsomt svagere. Da vi så radioemissionen blive styrket, vi indså, at forklaringen krævede en anden model, " sagde Alessandra Corsi, fra Texas Tech University.

Astronomerne kiggede på en model offentliggjort i oktober af Mansi Kasliwal fra Caltech, og kolleger, og videreudviklet af Ore Gottlieb, ved Tel Aviv Universitet, og hans kolleger. I den model, strålen kommer ikke ud af sfæren af ​​eksplosionsrester. I stedet, det samler omgivende materiale op, når det bevæger sig udad, producerer en bred "kokon", der absorberer strålens energi.

Astronomerne favoriserede dette scenarie baseret på den information, de indsamlede ved at bruge radioteleskoperne. Kort efter de første observationer af fusionsstedet, Jordens årlige tur rundt om Solen placerede objektet for tæt på Solen på himlen til, at røntgenstråler og teleskoper med synligt lys kunne observere. I uger, radioteleskoperne var den eneste måde at fortsætte med at indsamle data om begivenheden.

"Hvis radiobølgerne og røntgenstrålerne begge kommer fra en ekspanderende kokon, vi indså, at vores radiomålinger betød, at da NASA's Chandra X-ray Observatory kunne observere igen, det ville finde røntgenstrålerne, som radiobølgerne, var steget i styrke, " sagde Corsi.

Mooley og hans kolleger postede et papir med deres radiomålinger, deres foretrukne scenarie for begivenheden, og denne forudsigelse online den 30. november. Chandra skulle efter planen observere objektet den 2. og 6. december.

"Den 7. december Chandra-resultaterne kom ud, og røntgenstrålingen var blevet lysere, præcis som vi forudsagde, " sagde Gregg Hallinan, af Caltech.

"Aftalen mellem radio- og røntgendataene tyder på, at røntgenstrålerne stammer fra den samme udstrømning, som producerer radiobølgerne, " sagde Mooley.

"Det var meget spændende at se vores forudsigelse bekræftet, " sagde Hallinan. Han tilføjede, "En vigtig implikation af kokonmodellen er, at vi burde være i stand til at se mange flere af disse kollisioner ved at detektere deres elektromagnetiske, ikke kun deres tyngdekraft, bølger."

Mooley, Hallinan, Corsi, og deres kolleger rapporterede deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Natur .