Fødsel af et sort hul eller neutronstjerne fanget for første gang

Et internationalt team ledet af Northwestern University kommer tættere på at forstå det mystiske lyse objekt, der brast på den nordlige himmel denne sommer.

Den 17. juni ATLAS-undersøgelsens tvillingeteleskoper på Hawaii fandt en spektakulær lys anomali 200 millioner lysår væk i Hercules-stjernebilledet. Døbt AT2018ko eller "Koen, "objektet blussede hurtigt op, så forsvandt næsten lige så hurtigt.

Efter at have kombineret flere billedkilder, herunder hårde røntgenstråler og radiobølger, Det multi-institutionelle team spekulerer nu i, at teleskoperne fangede det nøjagtige øjeblik, hvor en stjerne kollapsede og dannede et kompakt objekt, såsom et sort hul eller neutronstjerne. Stjernernes affald, nærmer sig og hvirvler rundt i objektets begivenhedshorisont, forårsagede det bemærkelsesværdigt lyse skær.

Denne sjældne hændelse vil hjælpe astronomer til bedre at forstå fysikken på spil inden for de første øjeblikke af skabelsen af ​​et sort hul eller neutronstjerne. "Vi tror, ​​at 'Koen' er dannelsen af ​​et tiltagende sort hul eller neutronstjerne, " sagde Northwesterns Raffaella Margutti, der ledede forskningen. "Vi ved fra teorien, at sorte huller og neutronstjerner dannes, når en stjerne dør, men vi har aldrig set dem lige efter de er født. Aldrig."

Margutti vil præsentere sine resultater ved det 233. møde i American Astronomical Society den 10. januar i Seattle. Forskningen vil derefter blive offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

Margutti er assisterende professor i fysik og astronomi i Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og medlem af CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics), et begavet forskningscenter på Northwestern fokuseret på at fremme astrofysikstudier med vægt på tværfaglige forbindelser.

Den nysgerrige ko

Efter den første gang blev opdaget, Koen fangede øjeblikkelig international interesse og fik astronomer til at klø sig i hovedet. "Vi troede, det måtte være en supernova, " sagde Margutti. "Men det, vi observerede, udfordrede vores nuværende forestillinger om stjernedød."

For en, anomalien var unaturligt lys - 10 til 100 gange lysere end en typisk supernova. Det blussede også op og forsvandt meget hurtigere end andre kendte stjerneeksplosioner, med partikler, der flyver ved 30, 000 kilometer i sekundet (eller 10 procent af lysets hastighed). Inden for kun 16 dage, genstanden havde allerede udsendt det meste af sin kraft. I et univers, hvor nogle fænomener varer i millioner og milliarder af år, to uger svarer til et blink med øjet.

"Vi vidste med det samme, at denne kilde gik fra inaktiv til maksimal lysstyrke inden for få dage, " sagde Margutti. "Det var nok til at få alle begejstrede, fordi det var så usædvanligt, og efter astronomiske standarder, det var meget tæt på."

Brug af Northwesterns adgang til observationsfaciliteter på W.M. Keck Observatory på Hawaii og MMT Observatory i Arizona, samt fjernadgang til SoAR-teleskopet i Chile, Margutti kiggede nærmere på objektets makeup. Margutti og hendes team undersøgte Koens kemiske sammensætning, at finde klare beviser for brint og helium, som udelukkede modeller af kompakte objekter, der smelter sammen - som dem, der producerer gravitationsbølger.

Omfattende strategi

Astronomer har traditionelt studeret stjernedødsfald i den optiske bølgelængde, som bruger teleskoper til at fange synligt lys. Marguttis hold, på den anden side, bruger en mere omfattende tilgang. Hendes hold så objektet med røntgenstråler, hårde røntgenstråler (som er 10 gange stærkere end normale røntgenstråler), radiobølger og gammastråler. Dette gjorde det muligt for dem at fortsætte med at studere anomalien længe efter, at dens oprindelige synlige lysstyrke faldt.

Efter at ATLAS opdagede objektet, Marguttis team opnåede hurtigt opfølgende observationer af koen med NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) og INTEGRAL hårde røntgenlaboratorier, bløde røntgenstråler ved XMM-Newton og radioantenner ved Very Large Array mod The Cow.

Margutti tilskriver Koens relative nøgenhed til potentielt at optrevle dette intergalaktiske mysterium. Selvom stjerner kan kollapse i sorte huller hele tiden, den store mængde materiale omkring nyfødte sorte huller blokerer astronomernes udsyn. Heldigvis, omkring 10 gange mindre ejecta hvirvlede rundt om The Cow sammenlignet med en typisk stjerneeksplosion. Manglen på materiale gjorde det muligt for astronomer at kigge direkte igennem til objektets "centrale motor, ", der afslørede sig som et sandsynligt sort hul eller neutronstjerne.

"En 'pære' sad dybt inde i eksplosionens udkast, " sagde Margutti. "Det ville have været svært at se dette i en normal stjerneeksplosion. Men koen havde meget lidt udkastningsmasse, hvilket gjorde det muligt for os at se den centrale motors stråling direkte."

Galaktisk nabo

Marguttis team nød også godt af stjernens relative nærhed til Jorden. Selvom det var beliggende i den fjerne dværggalakse kaldet CGCG 137-068, astronomer mener, at det er "lige rundt om hjørnet."

"To hundrede millioner lysår er tæt på for os, i øvrigt, " sagde Margutti. "Dette er det nærmeste forbigående objekt af denne art, vi nogensinde har fundet."

Marguttis team på Northwestern omfatter kandidatstuderende Aprajita Hajela, postdoc-stipendiater Giacomo Terreran, Deanne Coppejans og Kate Alexander (der er Hubble Fellow), og førsteårs bachelorstuderende Daniel Brethauer.

"At få muligheden for at bidrage til noget så banebrydende og internationalt som at forstå AT2018cow som en undergraduat er en surrealistisk oplevelse, " sagde Brethauer. "At have hjulpet verdens eksperter med at finde ud af, hvad AT2018cow er selv på den mindste måde, var over mine vildeste forventninger i begyndelsen af ​​sommeren og noget, som jeg vil huske resten af ​​mit liv."