Forsinkede hurtigt spin 2017-kollaps af neutronstjerner til sort hul?

Når to neutronstjerner spiraler ind i hinanden og smelter sammen og danner et sort hul - en begivenhed registreret i 2017 af gravitationsbølgedetektorer og teleskoper verden over - bliver det straks et sort hul? Eller tager det et stykke tid at snurre ned, før den gravitationsmæssigt kollapser forbi begivenhedshorisonten i et sort hul?

Igangværende observationer af fusionen i 2017 af Chandra X-ray Observatory, et kredsende teleskop, antyder det sidste:at det fusionerede objekt holdt sig fast, sandsynligvis i et blot sekund, før det undergik det ultimative kollaps.

Beviserne er i form af en røntgen-efterglød fra fusionen, døbt GW170817, som ikke ville forventes, hvis de fusionerede neutronstjerner kollapsede øjeblikkeligt til et sort hul. Eftergløden kan forklares som et rebound af materiale fra de sammensmeltede neutronstjerner, som pløjede igennem og opvarmede materialet omkring de binære neutronstjerner. Dette varme materiale har nu holdt resten glødende støt mere end fire år efter fusionen kastede materiale udad i det, der omtales som en kilonova. Røntgenemissioner fra en stråle af materiale, der blev opdaget af Chandra kort efter fusionen, ville ellers være svagere nu.

Mens den overskydende røntgenstråling observeret af Chandra kunne komme fra affald i en tilvækstskive, der hvirvler rundt og til sidst falder ned i det sorte hul, favoriserer astrofysiker Raffaella Margutti fra University of California, Berkeley, hypotesen om forsinket kollaps, som forudsiges teoretisk.

"Hvis de fusionerede neutronstjerner skulle kollapse direkte til et sort hul uden et mellemstadium, ville det være meget svært at forklare dette røntgenoverskud, som vi ser lige nu, fordi der ikke ville være nogen hård overflade for ting at hoppe af og flyve ud med høje hastigheder for at skabe denne efterglød," sagde Margutti, UC Berkeley lektor i astronomi og fysik. "Det ville bare falde ind. Færdig. Den sande grund til, at jeg er videnskabeligt begejstret, er muligheden for, at vi ser noget mere end jetflyet. Måske får vi endelig noget information om det nye kompakte objekt."

Margutti og hendes kolleger, herunder førsteforfatter Aprajita Hajela, som var Marguttis kandidatstuderende, da hun var på Northwestern University, før hun flyttede til UC Berkeley, rapporterer deres analyse af røntgen-eftergløden i et papir, der for nylig blev godkendt til offentliggørelse i The Astrophysical Journal Letters .

En kilonovas radioaktive glød

Gravitationsbølger fra fusionen blev først opdaget den 17. august 2017 af Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) og Jomfru-samarbejdet. Satellit- og jordbaserede teleskoper fulgte hurtigt op for at optage et udbrud af gammastråler og synlige og infrarøde emissioner, der tilsammen bekræftede teorien om, at mange tunge grundstoffer produceres i kølvandet på sådanne fusioner inde i varme ejecta, der producerer en lys kilonova. Kilonovaen lyser på grund af lys, der udsendes under henfaldet af radioaktive grundstoffer, såsom platin og guld, der produceres i fusionsaffaldet.

Chandra drejede også for at observere GW170817, men så ingen røntgenstråler før ni dage senere, hvilket tyder på, at fusionen også producerede en smal stråle af materiale, der ved at kollidere med materialet omkring neutronstjernerne udsendte en kegle af røntgenstråler som oprindeligt savnede Jorden. Først senere udvidede strålens hoved sig og begyndte at udsende røntgenstråler i en bredere stråle, der var synlig fra Jorden.

Røntgenemissionerne fra jetflyet steg i 160 dage efter fusionen, hvorefter de støt blev svagere, efterhånden som jetflyet bremsede og udvidede sig. Men Hajela og hendes team bemærkede, at fra marts 2020 – omkring 900 dage efter fusionen – indtil udgangen af ​​2020 stoppede nedgangen, og røntgenstrålingen forblev omtrent konstant i lysstyrke.

"Det faktum, at røntgenstrålerne holdt op med at falme hurtigt, var vores bedste bevis endnu på, at noget ud over et jetfly bliver opdaget i røntgenstråler i denne kilde," sagde Margutti. "En helt anden kilde til røntgenstråler ser ud til at være nødvendig for at forklare, hvad vi ser."

Forskerne foreslår, at de overskydende røntgenstråler produceres af en chokbølge, der er forskellig fra de jetfly, der produceres af fusionen. Dette chok var et resultat af det forsinkede sammenbrud af de fusionerede neutronstjerner, sandsynligvis fordi dets hurtige spin meget kortvarigt modvirkede gravitationskollapset. Ved at holde sig et ekstra sekund fik materialet omkring neutronstjernerne et ekstra opspring, der producerede en meget hurtig hale af kilonova-udstødning, der skabte chokket.

"Vi tror, ​​at kilonova-efterglødemissionen er produceret af chokeret materiale i det cirkumbinære medium," sagde Margutti. "Det er materiale, der var i miljøet af de to neutronstjerner, der blev chokeret og varmet op af den hurtigste kant af kilonova-udstødningen, som driver chokbølgen."

Strålingen når os først nu, fordi det tog tid for den tunge kilonova-udstødning at blive bremset i lavdensitetsmiljøet, og for den kinetiske energi af udkastet blev omdannet til varme ved stød, sagde hun. Det er den samme proces, som producerer radio og røntgenstråler til strålen, men fordi strålen er meget, meget lettere, bremses den straks af miljøet og skinner i røntgen og radio fra de allertidligste tider.

En alternativ forklaring, bemærker forskerne, er, at røntgenstrålerne kommer fra materiale, der falder mod det sorte hul, der blev dannet efter neutronstjernernes sammensmeltning.

"Dette ville enten være første gang, vi har set en kilonova-efterglød, eller første gang, vi har set materiale falde ned i et sort hul efter en neutronstjernefusion," sagde medforfatter Joe Bright, en postdoc-forsker ved UC Berkeley. "Begge resultater ville være ekstremt spændende."

Chandra er nu det eneste observatorium, der stadig er i stand til at detektere lys fra denne kosmiske kollision. Opfølgende observationer fra Chandra og radioteleskoper kunne dog skelne mellem de alternative forklaringer. Hvis det er en kilonova-efterglød, forventes radioemission at blive opdaget igen i løbet af de næste par måneder eller år. Hvis røntgenstrålerne produceres af stof, der falder ned på et nydannet sort hul, bør røntgenudgangen forblive stabil eller falde hurtigt, og der vil ikke blive detekteret nogen radioemission over tid.

Margutti håber, at LIGO, Jomfruen og andre teleskoper vil fange gravitationsbølger og elektromagnetiske bølger fra flere neutronstjernefusioner, så rækken af ​​begivenheder forud for og efter fusionen kan fastgøres mere præcist og hjælpe med at afsløre fysikken i sorte huls dannelse. Indtil da er GW170817 det eneste tilgængelige eksempel til undersøgelse.

"Yderligere undersøgelse af GW170817 kan have vidtrækkende konsekvenser," sagde medforfatter Kate Alexander, en postdoc-forsker, som også er fra Northwestern University. "Detekteringen af ​​en kilonova-efterglød ville betyde, at fusionen ikke umiddelbart producerede et sort hul. Alternativt kan dette objekt give astronomer en chance for at studere, hvordan stof falder ned på et sort hul et par år efter dets fødsel."

Margutti og hendes team meddelte for nylig, at Chandra-teleskopet havde opdaget røntgenstråler i observationer af GW170817 udført i december 2021. Analyse af disse data er i gang. Der er ikke rapporteret om radiodetektion i forbindelse med røntgenstrålerne.