Neutronstjernefusion resulterer i magnetar med den lyseste kilonova, der nogensinde er observeret

For længe siden og langt over universet, et enormt udbrud af gammastråler udløste mere energi på et halvt sekund, end solen vil producere i hele sin levetid på 10 milliarder år.

Efter at have undersøgt det utroligt lyse udbrud med optisk, røntgen, nær-infrarøde og radiobølgelængder, et astrofysikhold ledet af Northwestern University mener, at det potentielt har set fødslen af ​​en magnetar.

Forskere mener, at magnetaren blev dannet af to neutronstjerner, der fusionerede, som aldrig før er blevet observeret. Fusionen resulterede i en strålende kilonova – den klareste nogensinde set – hvis lys endelig nåede Jorden den 22. 2020. Lyset kom først som et eksplosion af gammastråler, kaldet et kort gammastråleudbrud.

"Når to neutronstjerner smelter sammen, det mest almindelige forudsagte resultat er, at de danner en tung neutronstjerne, der kollapser i et sort hul inden for millisekunder eller mindre, " sagde Northwesterns Wen-fai Fong, der ledede undersøgelsen. "Vores undersøgelse viser, at det er muligt, for dette særlige korte gamma-stråleudbrud, den tunge genstand overlevede. I stedet for at falde sammen i et sort hul, det blev en magnetar:En hurtigt roterende neutronstjerne, der har store magnetfelter, dumper energi i dets omgivende miljø og skaber den meget klare glød, som vi ser."

Forskningen er blevet accepteret af The Astrofysisk tidsskrift og vil blive offentliggjort online senere i år.

Fong 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). Forskningen involverede to studerende, tre kandidatstuderende og tre postdoc-stipendiater fra Fongs laboratorium.

'Et nyt fænomen sker'

Efter at lyset først blev opdaget af NASAs Neil Gehrels Swift Observatory, videnskabsmænd skaffede hurtigt andre teleskoper - inklusive NASAs Hubble-rumteleskop, det meget store array, W.M. Keck Observatory og Las Cumbres Observatory Global Telescope-netværket - for at studere eksplosionens eftervirkninger og dens værtsgalakse.

Fongs team indså hurtigt, at noget ikke stemte.

Sammenlignet med røntgen- og radioobservationer, den nær-infrarøde emission, der blev detekteret med Hubble, var alt for lys. Faktisk, det var 10 gange lysere end forudsagt.

"Da dataene kom ind, vi dannede et billede af mekanismen, der producerede det lys, vi så, " sagde undersøgelsens medforsker, Tanmoy Laskar fra University of Bath i Det Forenede Kongerige. "Da vi fik Hubble-observationerne, vi var nødt til at ændre vores tankeproces fuldstændigt, fordi de oplysninger, som Hubble tilføjede, fik os til at indse, at vi var nødt til at kassere vores konventionelle tænkning, og at der var et nyt fænomen i gang. Så måtte vi finde ud af, hvad det betød for fysikken bag disse ekstremt energiske eksplosioner."

Magnetisk monster

Fong og hendes team har diskuteret flere muligheder for at forklare den usædvanlige lysstyrke - kendt som et kort gammastråleudbrud - som Hubble så. Forskere mener, at korte udbrud er forårsaget af sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner, ekstremt tætte genstande omkring solens masse komprimeret til volumenet af en stor by som Chicago. Mens de fleste korte gammastråleudbrud sandsynligvis resulterer i et sort hul, de to neutronstjerner, der smeltede sammen i dette tilfælde, kan have kombineret sig og dannet en magnetar, en supermassiv neutronstjerne med et meget kraftigt magnetfelt.

"Du har dybest set disse magnetiske feltlinjer, der er forankret til stjernen, som pisker rundt ved omkring 1, 000 gange i sekundet, og dette frembringer en magnetiseret vind, " Laskar forklarede. "Disse roterende feltlinjer udvinder rotationsenergien fra neutronstjernen dannet i fusionen, og deponerer den energi i udkastet fra eksplosionen, får materialet til at lyse endnu stærkere."

"Vi ved, at magnetarer eksisterer, fordi vi ser dem i vores galakse, " sagde Fong. "Vi tror, ​​de fleste af dem er dannet i de eksplosive dødsfald af massive stjerner, efterlader disse stærkt magnetiserede neutronstjerner. Imidlertid, det er muligt, at der dannes en lille fraktion ved neutronstjernefusioner. Det har vi aldrig set beviser på før, endsige i infrarødt lys, gør denne opdagelse speciel."

Mærkeligt lys kilonova

Kilonovae, som typisk er 1, 000 gange lysere end en klassisk nova, forventes at ledsage korte gammastråleudbrud. Unikt for sammensmeltningen af ​​to kompakte objekter, kilonovaer lyser fra det radioaktive henfald af tunge grundstoffer, der udstødes under fusionen, producerer eftertragtede elementer som guld og uran.

"Vi har kun én bekræftet og velsamplet kilonova til dato, " sagde Jillian Rastinejad, en medforfatter til papiret og kandidatstuderende i Fongs laboratorium. "Så det er især spændende at finde en ny potentiel kilonova, der ser så anderledes ud. Denne opdagelse gav os muligheden for at udforske mangfoldigheden af ​​kilonovaer og deres resterende objekter."

Hvis den uventede lysstyrke, som Hubble så, kom fra en magnetar, der afsatte energi i kilonova-materialet, derefter, inden for få år, det udstødte materiale fra burst vil producere lys, der viser sig ved radiobølgelængder. Opfølgende radioobservationer kan i sidste ende bevise, at dette var en magnetar, fører til en forklaring af sådanne genstandes oprindelse.

"Nu hvor vi har en meget lys kandidat kilonova, " sagde Rastinejad, "Jeg er spændt på de nye overraskelser, som korte gammastråleudbrud og neutronstjernefusioner har i vente for os i fremtiden."