Radioobservationer bekræfter en superhurtig stråle af materiale fra neutronstjernefusion

Præcis måling ved hjælp af en kontinent-dækkende samling af National Science Foundation (NSF) radioteleskoper har afsløret, at en smal stråle af partikler, der bevæger sig med næsten lysets hastighed, brød ud i det interstellare rum, efter at et par neutronstjerner smeltede sammen i en galakse med 130 millioner lys -år fra Jorden. Sammenlægningen, som fandt sted i august 2017, sendte gravitationsbølger, der rislede gennem rummet. Det var den første begivenhed nogensinde, der blev opdaget af både gravitationsbølger og elektromagnetiske bølger, inklusive gammastråler, røntgenstråler, synligt lys, og radiobølger.

Eftervirkningerne af fusionen, kaldet GW170817, blev observeret af kredsende og jordbaserede teleskoper rundt om i verden. Forskere så på, hvordan de modtagne bølgers karakteristika ændrede sig med tiden, og brugte ændringerne som ledetråde til at afsløre arten af ​​de fænomener, der fulgte efter fusionen.

Et spørgsmål, der skilte sig ud, selv måneder efter fusionen, var, hvorvidt begivenheden havde frembragt en snæver, hurtigt bevægende stråle af materiale, der fandt vej ind i det interstellare rum. Det var vigtigt, fordi sådanne jetfly er nødvendige for at producere den type gammastråleudbrud, som teoretikere havde sagt skulle være forårsaget af sammensmeltningen af ​​neutron-stjernepar.

Svaret kom, da astronomer brugte en kombination af NSF's Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), og Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) og opdagede, at et område med radioemission fra fusionen var flyttet, og bevægelsen var så hurtig, at kun et jetfly kunne forklare dens hastighed.

"Vi målte en tilsyneladende bevægelse, der er fire gange hurtigere end lyset. Den illusion, kaldet superluminal bevægelse, resultater, når strålen peger næsten mod Jorden, og materialet i strålen bevæger sig tæt på lysets hastighed, " sagde Kunal Mooley, af National Radio Astronomy Observatory (NRAO) og Caltech.

Astronomerne observerede objektet 75 dage efter fusionen, derefter igen 230 dage efter.

"Baseret på vores analyse, dette jetfly er højst sandsynligt meget smalt, højst 5 grader bred, og pegede kun 20 grader væk fra Jordens retning, " sagde Adam Deller, fra Swinburne University of Technology og tidligere af NRAO. "Men for at matche vores observationer, materialet i strålen skal også sprænges udad med over 97 procent af lysets hastighed." tilføjede han.

Scenariet, der opstod, er, at den første sammensmeltning af de to supertætte neutronstjerner forårsagede en eksplosion, der drev en sfærisk skal af affald udad. Neutronstjernerne kollapsede i et sort hul, hvis kraftige tyngdekraft begyndte at trække materiale mod det. Dette materiale dannede en hurtigt roterende skive, der genererede et par stråler, der bevægede sig udad fra dens poler.

Efterhånden som begivenheden udfoldede sig, spørgsmålet blev, om jetflyene ville bryde ud af skallen af ​​affald fra den oprindelige eksplosion. Data fra observationer indikerede, at et jetfly havde interageret med affaldet, danner en bred "kokon" af materiale, der udvider sig udad. En sådan kokon ville udvide sig langsommere end en jetfly.

"Vores fortolkning er, at kokonen dominerede radioudsendelsen indtil omkring 60 dage efter fusionen, og på senere tidspunkter var emissionen jetdomineret, " sagde Ore Gottlieb, fra Tel Aviv Universitet, en førende teoretiker på undersøgelsen.

"Vi var heldige at kunne observere denne begivenhed, fordi hvis jetflyet var rettet meget længere væk fra Jorden, radioudsendelsen ville have været for svag til, at vi kunne opdage, " sagde Gregg Hallinan fra Caltech.

Detekteringen af ​​et hurtigt bevægende jetfly i GW170817 styrker i høj grad forbindelsen mellem neutronstjernefusioner og kortvarige gammastråleudbrud, sagde forskerne. De tilføjede, at jetflyene skal pege relativt tæt mod Jorden for at gammastråleudbruddet kan detekteres.

"Vores undersøgelse viser, at ved at kombinere observationer fra VLBA, VLA og GBT er et kraftfuldt middel til at studere jetfly og fysik forbundet med gravitationsbølgehændelser, " sagde Mooley.

"Fusionsbegivenheden var vigtig af en række årsager, og det fortsætter med at overraske astronomer med mere information, " sagde Joe Pesce, NSF programdirektør for NRAO. "Jets er gådefulde fænomener set i en række miljøer, og nu giver disse udsøgte observationer i radiodelen af ​​det elektromagnetiske spektrum fascinerende indsigt i dem, hjælper os med at forstå, hvordan de fungerer."

Mooley og hans kolleger rapporterede deres resultater i 5. september onlineversionen af ​​tidsskriftet Natur .