Løsning af jet/cocoon-gåden om en gravitationsbølgebegivenhed

Et internationalt forskerhold med astronomer fra Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, har kombineret radioteleskoper fra fem kontinenter for at bevise eksistensen af ​​en snæver strøm af materiale, en såkaldt jet, dukker op fra den eneste gravitationsbølgebegivenhed, der involverer to neutronstjerner, der nogensinde er observeret. Med sin høje følsomhed og fremragende ydeevne, 100 meter radioteleskopet i Effelsberg spillede en vigtig rolle i observationerne.

I august 2017, to neutronstjerner blev observeret kolliderende, producerer gravitationsbølger, der blev detekteret af de amerikanske LIGO- og European Jomfru-detektorer. Neutronstjerner er ultra-tætte stjerner, nogenlunde samme masse som Solen, men svarer i størrelse til en by som Köln. Denne begivenhed er den første og eneste af denne type, der er blevet observeret indtil videre, og det skete i en galakse 130 millioner lysår væk fra Jorden, i stjernebilledet Hydra.

Astronomer observerede begivenheden og den efterfølgende udvikling over hele det elektromagnetiske spektrum, fra gammastråler, Røntgenstråler til synligt lys og radiobølger. To hundrede dage efter fusionen, observationer, der kombinerer radioteleskoper i Europa, Afrika, Asien, Oceanien, og Nordamerika beviste eksistensen af ​​et jetfly, der dukkede op fra denne voldsomme kollision. Disse resultater er nu offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskab af et internationalt hold af astronomer, ledet af Giancarlo Ghirlanda fra det italienske nationale institut for astrofysik (INAF).

Denne neutronstjernesammensmeltning repræsenterede det første tilfælde, hvor det var muligt at associere en detektion af gravitationsbølger til et objekt, der udsender lys. Begivenheden har bekræftet videnskabelige teorier, der har været under diskussion i snesevis af år, og sammenhængen mellem neutronstjernefusioner med en af ​​de kraftigste eksplosioner i universet:gammastråleudbrud. Efter fusionen en enorm mængde materiale blev drevet ud i rummet, danner en skal omkring genstanden. Astronomer har sporet dens udvikling ved forskellige bølgelængder. Imidlertid, der var stadig nogle tilbageværende spørgsmål vedrørende denne begivenhed, som ikke kunne afklares ved tidligere observationer.

"Vi forventede, at en del af materialet ville blive kastet ud gennem en kollimeret jet, men det var uklart, om dette materiale med held kunne trænge igennem den omgivende skal, " forklarer Ghirlanda. "Der var to konkurrerende scenarier:I et tilfælde, strålen kan ikke bryde gennem skallen, i stedet genererer en ekspanderende boble omkring objektet. I den anden, strålen har succes med at trænge ind i skallen og forplanter sig derefter længere ud i rummet, " udvider Tiziana Venturi (INAF). Kun erhvervelse af meget følsomme radiobilleder med meget høj opløsning ville kassere det ene eller det andet scenarie. Dette krævede brugen af ​​en teknik kendt som meget lang baseline interferometri (VLBI), der gør det muligt for astronomer at kombinere radio teleskoper over hele jorden.

Forfatterne af denne publikation udførte globale observationer i retning af fusionen den 12. marts 2018 ved hjælp af treogtredive radioteleskoper fra det europæiske VLBI-netværk (der forbinder teleskoper fra Spanien, Det Forenede Kongerige, Holland, Tyskland, Italien, Sverige, Polen, Letland, Sydafrika, Rusland, og Kina), e-MERLIN i Storbritannien, Australian Long Baseline Array i Australien og New Zealand, og Very Long Baseline Array i USA.

"Vores 100 m radioteleskop i Effelsberg deltog i observationerne og var et nøgleelement, på grund af sin høje følsomhed og fremragende ydeevne, " siger Carolina Casadio, medlem af forskerholdet fra Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR).

Dataene fra alle teleskoper blev sendt til JIVE, Holland, hvor de mest avancerede behandlingsteknikker blev brugt til at fremstille et billede med en opløsning, der kan sammenlignes med opløsning af en person på Månens overflade. I samme analogi, den ekspanderende boble ville dukke op med en tilsyneladende størrelse svarende til en lastbil på Månen, hvorimod et vellykket jetfly ville blive opdaget som et meget mere kompakt objekt. "Sammenligning af de teoretiske billeder med de virkelige, vi finder ud af, at kun et jetfly kunne virke tilstrækkeligt kompakt til at være kompatibelt med den observerede størrelse, " forklarer Om Sharan Salafia fra INAF i Italien. Holdet fastslog, at dette jetfly indeholdt lige så meget energi som produceret af alle stjernerne i vores galakse i løbet af et år. "Og al den energi var indeholdt i en størrelse mindre end et lysår, " siger Zsolt Paragi, også fra JIVE.

"Inden for Europa bruger vi RadioNet-konsortiet til en effektiv brug af vores medlemmers radioteleskoper. De observationer, der er beskrevet her, kombinerer radioobservatorier over hele Europa og på verdensplan. De kræver en velkoordineret indsats fra de samarbejdende observatorier og institutioner for at opnå så spændende resultater, " forklarer Anton Zensus, Direktør hos MPIfR og koordinator for RadioNet-konsortiet.

I de kommende år, mange flere af disse neutronstjerne-binære fusioner vil blive opdaget. "De opnåede resultater tyder også på, at mere end 10 procent af alle disse fusioner skulle vise et vellykket jetfly, " forklarer Benito Marcote fra JIVE. "Disse typer observationer vil give os mulighed for at afsløre de processer, der finder sted under og efter nogle af de mest magtfulde begivenheder i universet, " konkluderer Sándor Frey fra Konkoly Observatory i Ungarn.