Efterglød kaster lys over naturen, oprindelsen af ​​neutronstjernekollisioner

Det sidste kapitel af den historiske påvisning af den kraftfulde sammensmeltning af to neutronstjerner i 2017 er officielt blevet skrevet. Efter at det ekstremt lyse udbrud endelig blev sort, et internationalt hold ledet af Northwestern University konstruerede omhyggeligt dens efterglød – den sidste del af den berømte begivenheds livscyklus.

Ikke alene er det resulterende billede det hidtil dybeste billede af neutronstjernekollisionens efterglød, den afslører også hemmeligheder om fusionens oprindelse, den jet, den skabte, og karakteren af ​​kortere gammastråleudbrud.

"Dette er den dybeste eksponering, vi nogensinde har taget af denne begivenhed i synligt lys, " sagde Northwesterns Wen-fai Fong, der ledede forskningen. "Jo dybere billedet er, jo flere oplysninger kan vi få."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort i denne måned i The Astrofysiske tidsskriftsbreve . Fong er assisterende professor i fysik og astronomi ved 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 studier med vægt på tværfaglige forbindelser.

Mange forskere overvejer neutronstjernefusionen i 2017, døbt GW170817, som LIGO's (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hidtil vigtigste opdagelse. Det var første gang, at astrofysikere fangede to neutronstjerner, der stødte sammen. Detekteret i både gravitationsbølger og elektromagnetisk lys, det var også den første nogensinde multi-budbringe observation mellem disse to former for stråling.

Lyset fra GW170817 blev registreret, til dels, fordi det var i nærheden, hvilket gør det meget lyst og relativt nemt at finde. Da neutronstjernerne kolliderede, de udsendte en kilonova — lys 1, 000 gange lysere end en klassisk nova, som følge af dannelsen af ​​tunge elementer efter fusionen. Men det var netop denne lysstyrke, der fik dens efterglød – dannet af et jetfly, der rejser tæt på lysets hastighed, puster det omgivende miljø - så svært at måle.

"For at vi skal se eftergløden, kilonovaen måtte flytte af vejen, " sagde Fong. "Sikkert nok, 100 dage efter fusionen, kilonovaen var gået i glemmebogen, og eftergløden tog over. Eftergløden var så svag, imidlertid, overlader det til de mest følsomme teleskoper for at fange det."

Hubble til undsætning

Fra december 2017, NASAs Hubble-rumteleskop registrerede eftergløden af ​​synligt lys fra fusionen og genbesøgte fusionens placering 10 gange mere i løbet af halvandet år.

Boksen angiver, hvor den nu falmede efterglød var placeret.

I slutningen af ​​marts 2019, Fongs team brugte Hubble til at få det endelige billede og den dybeste observation til dato. I løbet af syv og en halv time, teleskopet optog et billede af himlen, hvorfra neutron-stjernekollisionen fandt sted. Det resulterende billede viste - 584 dage efter neutron-stjerne-fusionen - at det synlige lys, der kom fra fusionen, endelig var væk.

Næste, Fongs hold havde brug for at fjerne lysstyrken fra den omgivende galakse, for at isolere begivenhedens ekstremt svage efterglød.

"For nøjagtigt at måle lyset fra eftergløden, du skal tage alt det andet lys væk, sagde Peter Blanchard, en postdoc i CIERA og undersøgelsens anden forfatter. "Den største synder er lysforurening fra galaksen, som er ekstremt kompliceret i struktur."

Fong, Blanchard og deres samarbejdspartnere nærmede sig udfordringen ved at bruge alle 10 billeder, hvor kilonovaen var væk og eftergløden forblev såvel som finalen, dybt Hubble-billede uden spor af kollisionen. Holdet lagde deres dybe Hubble-billede på hvert af de 10 efterlysbilleder. Derefter, ved hjælp af en algoritme, de trak omhyggeligt - pixel for pixel - alt lys fra Hubble-billedet fra de tidligere efterlysbilleder.

Resultatet:en sidste tidsserie af billeder, viser det svage efterlys uden lysforurening fra baggrundsgalaksen. Fuldstændig på linje med modelforudsigelser, det er den mest nøjagtige billedbehandlings-tidsserie af GW170817's efterglød med synligt lys, der er produceret til dato.

"Lysstyrkeudviklingen matcher perfekt vores teoretiske modeller af jetfly, " sagde Fong. "Det stemmer også helt overens med, hvad radioen og røntgenstrålerne fortæller os."

Oplysende information

Med Hubbles dybe rumbillede, Fong og hendes samarbejdspartnere fik ny indsigt om GW170817's hjemmegalakse. Måske mest slående, de bemærkede, at området omkring fusionen ikke var tæt befolket med stjernehobe.

"Tidligere undersøgelser har antydet, at neutronstjernepar kan dannes og smelte sammen i det tætte miljø af en kuglehob, " sagde Fong. "Vores observationer viser, at det bestemt ikke er tilfældet for denne neutronstjernefusion."

Ifølge det nye billede, Fong mener også, at fjerntliggende, Kosmiske eksplosioner kendt som korte gammastråleudbrud er faktisk neutronstjernesammensmeltninger - bare set fra en anden vinkel. Begge producerer relativistiske jetfly, som er som en brandslange af materiale, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Astrofysikere ser typisk stråler fra gammastråleudbrud, når de er rettet direkte, som at stirre direkte ind i brandslangen. Men GW170817 blev set fra en 30-graders vinkel, hvilket aldrig før var blevet gjort i den optiske bølgelængde.

"GW170817 er første gang, vi har været i stand til at se jetflyet 'off-akse', '" sagde Fong. "Den nye tidsserie indikerer, at den største forskel mellem GW170817 og fjerne korte gamma-stråleudbrud er betragtningsvinklen."