Hvordan kolliderende neutronstjerner kunne kaste lys over universelle mysterier

Et vigtigt gennembrud i, hvordan vi kan forstå kollisioner med døde stjerner og udvidelsen af ​​universet, er blevet lavet af et internationalt hold, ledet af University of East Anglia.

De har opdaget en usædvanlig pulsar - en af ​​det dybe rums magnetiserede snurrende neutronstjerne-"fyrtårne", der udsender stærkt fokuserede radiobølger fra sine magnetiske poler.

Den nyopdagede pulsar (kendt som PSR J1913+1102) er en del af et binært system - hvilket betyder, at den er låst i en voldsom snæver bane med en anden neutronstjerne.

Neutronstjerner er de døde stjernerester af en supernova. De består af det mest tætte stof, man kender - og pakker hundredtusindvis af gange Jordens masse ind i en kugle på størrelse med en by.

Om omkring en halv milliard år vil de to neutronstjerner støde sammen, frigiver forbløffende mængder energi i form af gravitationsbølger og lys.

Men den nyopdagede pulsar er usædvanlig, fordi masserne af dens to neutronstjerner er ret forskellige - med den ene langt større end den anden.

Dette asymmetriske system giver videnskabsmænd tillid til, at dobbeltneutronstjernefusioner vil give vitale ledetråde om uløste mysterier i astrofysikken - inklusive en mere nøjagtig bestemmelse af universets ekspansionshastighed, kendt som Hubble-konstanten.

Opdagelsen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , blev lavet ved hjælp af Arecibo-radioteleskopet i Puerto Rico.

Ledende forsker Dr. Robert Ferdman, fra UEA's School of Physics, sagde:"Tilbage i 2017, forskere ved Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opdagede først sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner.

"Begivenheden forårsagede krusninger af gravitationsbølger gennem rumtidens struktur, som forudsagt af Albert Einstein for over et århundrede siden."

Kendt som GW170817, denne spektakulære begivenhed blev også set med traditionelle teleskoper ved observatorier rundt om i verden, som identificerede dens placering i en fjern galakse, 130 millioner lysår fra vores egen Mælkevej.

Dr. Ferdman sagde:"Det bekræftede, at fænomenet med korte gammastråleudbrud skyldtes sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner. Og disse menes nu at være de fabrikker, der producerer de fleste af de tungeste grundstoffer i universet, såsom guld."

Den kraft, der frigives i løbet af en brøkdel af et sekund, når to neutronstjerner smelter sammen, er enorm - anslået til at være titusinder gange større end alle stjerner i universet tilsammen.

Så GW170817-begivenheden var ikke overraskende. Men den enorme mængde stof, der blev kastet ud af fusionen og dens lysstyrke, var et uventet mysterium.

Dr. Ferdman sagde:"De fleste teorier om denne begivenhed antog, at neutronstjerner låst i binære systemer er meget ens i masse.

"Vores nye opdagelse ændrer disse antagelser. Vi har afsløret et binært system, der indeholder to neutronstjerner med meget forskellige masser.

"Disse stjerner vil kollidere og smelte sammen om omkring 470 millioner år, hvilket virker som lang tid, men det er kun en lille brøkdel af universets alder.

"Fordi én neutronstjerne er betydeligt større, dens tyngdekraftspåvirkning vil forvrænge formen af ​​dens ledsagende stjerne - fjerner store mængder stof lige før de rent faktisk smelter sammen, og potentielt forstyrre det helt.

"Denne 'tidevandsafbrydelse' udsender en større mængde varmt materiale end forventet for binære systemer med samme masse, hvilket resulterer i en kraftigere emission.

"Selvom GW170817 kan forklares med andre teorier, vi kan bekræfte, at et modersystem af neutronstjerner med væsentligt forskellig masse, ligner PSR J1913+1102-systemet, er en meget plausibel forklaring.

"Måske endnu vigtigere, Opdagelsen fremhæver, at der er mange flere af disse systemer derude - der udgør mere end én ud af 10 fusionerende dobbeltneutronstjerne-binærfiler."

Medforfatter Dr. Paulo Freire fra Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, sagde:"Sådan en forstyrrelse ville gøre det muligt for astrofysikere at få vigtige nye spor om det eksotiske stof, der udgør det indre af disse ekstremer, tætte genstande.

"Denne sag er stadig et stort mysterium - det er så tæt, at forskerne stadig ikke ved, hvad det faktisk er lavet af. Disse tætheder er langt ud over, hvad vi kan reproducere i jordbaserede laboratorier."

Afbrydelsen af ​​den lettere neutronstjerne ville også øge lysstyrken af ​​det materiale, der udstødes af fusionen. Det betyder, at sammen med gravitationsbølgedetektorer som den USA-baserede LIGO og den Europa-baserede Jomfru-detektor, videnskabsmænd vil også være i stand til at observere dem med konventionelle teleskoper.

Dr. Ferdman sagde:"Spændende nok, dette kan også give mulighed for en fuldstændig uafhængig måling af Hubble-konstanten - den hastighed, hvormed universet udvider sig. De to vigtigste metoder til at gøre dette er i øjeblikket i modstrid med hinanden, så dette er en afgørende måde at bryde dødvandet og forstå mere detaljeret, hvordan universet udviklede sig."

"Asymmetriske masseforhold for lyse dobbelte neutronstjernefusioner" er offentliggjort i tidsskriftet Natur den 8. juli, 2020.