Astronomer fanger gravitationsbølger fra kolliderende neutronstjerner

Rumtids-krusninger fra neutronstjernens smash-up indvarsler i alderen med multi-messenger astronomi.

Så rygterne stemte trods alt. Den 17. august registrerede Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) bittesmå krusninger i rumtiden, produceret af et par hektisk kredsende neutronstjerner lige inden de kolliderede. Hvad mere er: teleskoper på jorden og i rummet opdagede den falmende glød fra den radioaktive ildkugle, der blev resultatet af det kosmiske smash-over hele det elektromagnetiske spektrum.

Denne kunstners opfattelse skildrer to neutronstjerner i kollisionens øjeblik. Nye observationer bekræfter, at kolliderende neutronstjerner sandsynligvis producerer korte gammastråler.
Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc.

"Påvisning af tyngdekraftsbølger fra en binær neutronstjernefusion er noget, vi har brugt årtier på at forberede os på, " bemærker astrofysiker Alan Weinstein (Caltech). "Alle vores drømme blev til virkelighed." Ifølge hans kollega Barry Barish (også Caltech), en af ​​LIGOs grundlæggende fædre og medmodtager af Nobelprisen i fysik i 2017, etablerer den nye opdagelse "gravitationsbølgeforskning som et nyt nye felt." Vicky Kalogera (Northwestern University) tilføjer, "jeg kunne ikke tro mine øjne. Det er meget mere spændende end den første detektering af gravitationsbølger" af kolliderende sorte huller, i september 2015.

Spændingen er fuldt ud berettiget. Iagttagelse af både tyngdekraftsbølger og elektromagnetisk stråling fra den katastrofale sammenhæng mellem to hypertætte neutronstjerner giver astronomer et væld af nye detaljerede oplysninger. Det nye buzzword er astronomi med flere messenger, studiet af universet ved hjælp af grundlæggende forskellige typer emission.

Rygter om begivenheden om neutronstjerne har cirkuleret siden 18. august, da Craig Wheeler (University of Texas i Austin) twitrede: "Ny LIGO. Kilde med optisk modstykke. Blæs din sox af!" Derefter, den 27. september, annoncerede LIGO-Virgo-samarbejdet påvisning af GW170814 - gravitationsbølgesignalet fra en fusion i sort hul - hvilket fik nogle til at antage, at de tidligere rygter bare var hype.

Fordi kollision af sorte huller ikke afgiver noget lys, ville du ikke forvente noget optisk modstykke. I en tale den 3. oktober efter hans co-modtagelse af fysik Nobel, bekræftede Ranier Weiss (MIT), at en anden meddelelse var ved at komme, men ville ikke sige hvad. I dag på astronomer og fysikere afslørede endelig en stor pressekonference i Washington, DC, deres hemmelighed.

Kolliderende Neutronstjerner

Kunstnerens illustration af to fusionerende neutronstjerner. Det krusende rumtidsgitter repræsenterer gravitationsbølger, der udsendes fra kollisionen, mens de smalle bjælker er strålerne fra gammastråler, der skyder ud kun sekunder efter tyngdekraftsbølgerne (opdaget som en gammastråle brast af astronomer). De hvirvlende skyer af materiale skildrer ting, der sprøjtes ud fra de fusionerende stjerner. Skyerne gløder med synlige og andre bølgelængder af lys.

NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Her er hvad der skete. Torsdag den 17. august kl. 12:41:04 UT sank LIGO sit femte bekræftede gravitationsbølgesignal, nu betegnet GW170817. Men dette signal varede meget længere end de første fire: i stedet for en brøkdel af et sekund, ligesom de tidligere detektioner, varede rumtidsrykkerne i hele 90 sekunder, hvilket steg med hyppighed fra nogle få titalls hertz til ca. en kilohertz - det maksimale frekvens, som LIGO kan observere.

Dette er gravitationsbølgesignalet, der forventes fra nøje kredsløb omkring neutronstjerner, begge mindre end to gange solens masse. Til sidst hvirvlede de rundt hinanden hundrede gange pr. Sekund (hurtigere end din køkkenblander), med en rimelig brøkdel af lysets hastighed. Bølgerne, der udsendes af de accelererende masser, blev ved med at tømme systemet med orbitalenergi, og inden længe kolliderede de to neutronstjerner. Kollisionen fandt sted i en afstand af cirka 150 millioner lysår fra Jorden.

Astronomer har kendt til binære neutronstjerner siden 1974, da Russell Hulse og Joseph Taylor opdagede den første, med en adskillelse på et par millioner kilometer og en orbitalperiode på 7, 75 timer. Men denne adskillelse og periode ændrer sig med tiden. Faktisk svarer binærens meget langsomme fald i orbitalperiode, målt i de efterfølgende år, perfekt til Einsteins forudsigelse for energitab på grund af udsendelse af tyngdekraftsbølger. Omkring 300 millioner år fra nu vil de to neutronstjerner i Hulse-Taylor binæret også kollidere og smelte sammen.

Opdagelsen af ​​den første binære neutronstjerne, der fik Hulse og Taylor Nobelprisen i fysik i 1993, gav et enormt boost af selvtillid for fysikere som Weiss og Kip Thorne (Caltech), der designede de første prototyper af LIGO-lignende laser interferometre, og hvem der delte Nobel 2017 med Barish. Hvis en binær neutronstjerne samles i løbet af 300 millioner år, kan andre muligvis gøre det i morgen. Det energiske burst af tyngdekraftsbølger produceret ved kollisionen skal kunne detekteres med ekstremt følsomme instrumenter her på Jorden. Når vi taler om GW170817, siger Ralph Wijers (University of Amsterdam, Holland), "Vi har ventet på dette i 40 år."

Gamma-ray Burst

Kun to sekunder efter gravitationsbølgebegivenheden, kl. 12:41:06 UT, registrerede NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope et kort gammastråle-burst - en kort, kraftig "flash" af den mest energiske elektromagnetiske stråling i naturen. Det Europæiske Rumagenturs integrerede gammastråleobservatorium bekræftede udbruddet.

Korte gamma-ray bursts menes at være produceret af kolliderende neutronstjerner. Fusionen ville sprænge to smalle, energiske stråler af partikler og stråling i rummet (sandsynligvis vinkelret på neutronstjernes orbitalplan). Hvis en af ​​jetflyene var rettet mod Jorden, ville vi se en gammastråle, der varede overalt mellem en brøkdel af et sekund og to sekunder eller deromkring. Det naturlige spørgsmål var, kunne GRB170817A muligvis være relateret til den LIGO-begivenhed, der blev observeret lige før?

Astronomer var i tvivl. Gamma-ray bursts forekommer normalt i afstande af milliarder af lysår. GRB170817A så omtrent lige så lys ud for Fermi som andre GRB'er, så hvis dette burst var opstået på kun 150 millioner lysårsafstand, må det have været usædvanligt wimpy. Derudover ville det være en uhyggelig tilfældighed, at den nærmeste gammastrålehastighed nogensinde ville have sin jet rettet mod Jorden.

Jomfru til redning

At finde et optisk modstykke til enten tyngdekraften “Einstein-bølger” eller til den korte gammastråle-burst ville løse problemet. Desværre kunne astronomer ikke præcist finde kilden til signalerne på himlen. Fermis ”fejlboks” målte et par titusin grader i diameter (fuldmånen er kun en halv grad bred), og NASAs Swift-satellit, som undertiden kan fange en Fermi-begivenhed med sit mere præcise røntgen-teleskop, så ikke enhver røntgenemission umiddelbart efter GRB.

Hvad angår gravitationsbølgesignalet, så situationen endnu værre ud. Begivenheden var blevet observeret af både LIGO-detektoren i Hanford, Washington og dens tvilling i Livingston, Louisiana (selvom det tog et stykke tid, før Livingston-signalet blev hentet fra datastrømmen på grund af en teknisk fejlfinding). Fra den lille forskel i ankomsttid (blot et par millisekunder) var det muligt at spore oprindelsen af ​​tyngdekølvebølgerne tilbage til en lang, tynd bananformet himmelstrimmel. Men selvom bananen var ekstremt tynd i dette særlige tilfælde (takket være den lange varighed af begivenheden), var den også meget lang.

Den tynde LIGO-banan krydsede Fermi-fejlboksen i stjernebillederne Jomfru og Hydra. Desværre var overlapningsregionen stadig alt for stor til at starte en fokuseret søgning efter en mulig optisk modstykke til begivenheden, hvilket sandsynligvis ville være ekstremt svag.

En kombination af observationer fra LIGO, Jomfru, Fermi og Integral gjorde det muligt for astronomer at komme hjem på kilden til tyngdekraftsbølger, der blev opdaget 17. august 2017, til et himmelbund ca. 30 kvadrat grader i området.
LIGO / Jomfru

Men vent et øjeblik - hvad med den tredje gravitationsbølgedetektor i Italien? Jomfruen havde været i gang i tandem med LIGO siden 1. august. Forskelle i ankomsttid for tre detektorer gør det muligt at triangulere kildeplaceringen meget mere præcist. Faktisk var det nøjagtigt, hvad der var sket tre dage før, med det sorte hulfusion GW170814. Så ville jomfruobservationer af GW170817 ikke give et svar?

Næsten to måneder efter begivenhederne er Vicky Kalogera stadig høj på adrenalin, når hun forklarer den europæiske jomfru-detektor til at løse sagen. ”I august, ” siger hun, ”rejste jeg med min familie i Colorado og Idaho, hvor vi ville observere den 21. august samlede solformørkelse. Jeg havde lovet ikke at arbejde hele tiden. Derefter kom GW170814, og tre dage senere blev neutronstjernehændelsen. Jeg har været på min bærbare computer og i telekom lige siden. ”

Hun fortæller overraskende, at Jomfruen ikke "udløste" på GW170817. Det 90 sekunders Einstein-bølgesignal fra de sammenvoksende neutronstjerner vises næsten ikke i Jomfruens datastrøm, selvom det europæiske instrument ikke skulle have haft noget problem med at opdage det. "Den store ting, " siger Kalogera, "er, at Jomfruens 'ikke-detektering' viste sig at være nøglen til at lokalisere kilden."

Laserinterferometre som LIGO og Virgo kan registrere tyngdekraftsbølger fra næsten alle retninger. Men på grund af deres design er der fire himmelregioner på instrumentets lokale horisont, for hvilket detekteringsfølsomheden er meget lavere end gennemsnittet. I midten af ​​disse regioner er der blinde pletter. Jomfru havde ikke registreret en stærk, passerende gravitationsbølge, fordi bølgenes kilde var placeret i nærheden af ​​en af ​​Jomfruens blinde pletter.

Se og se, dette sted faldt sammen med overlappningsregionen mellem LIGOs tynde “banan” og Fermis fejlfelt. I betragtning af de øverste grænser for Jomfru-signalet var astronomer i stand til at indhegne en meget mindre, langstrakt del af himlen, med et område på kun ca. 28 kvadratgrader.

Modpart søgning

Den røde cirkel på dette diagram viser placeringen af ​​galaksen NGC 4993 nær grænsen til den spredte konstellation af Hydra, Sea Serpent.
ESO / IAU / Sky & Telescope

Nu var jakten på. I løbet af de sidste år havde LIGO-Virgo-samarbejdet underskrevet en formel aftale med omkring 70 hold af astronomer over hele verden om at dele denne form for information under streng embargo. Dette ville gøre det muligt for holdene at søge efter elektromagnetiske modstykker til tyngdekraftsbølgesignaler med teleskoper på jorden og i rummet, helst lige efter detekteringen. Med de seneste koordinater for søgeområdet for GW170817 i hånden, uddannede alle deres instrumenter på den mistænkte kriminalscene i det sydlige Jomfru og det østlige Hydra.

Det 1 meter lange Henrietta Swope-teleskop ved Las Campanas-observatoriet i det nordlige Chile var den første, der ramte guld. Deres succes var afhængig af en smart strategi. LIGO-dataene gav dem en indikation af kildens afstand, og inden for søgeområdet var der kun et par dusin galakser i dette afstand. Astronomer med Swope Supernova-undersøgelsen kontrollerede hurtigt galakserne en efter en, for sandsynlighed, for at se, om de kunne finde en optisk forbigående.

Omkring 23:00 UT fandt de et overraskende lyst (17. styrke) lyspunkt i den nordøstlige kant af den linseformede (S0) galakse NGC 4993 nær den binære stjerne Gamma Hydrae. Kilden var lys nok til, at amatørastronomer havde plukket ud med store (16-tommer) teleskoper. Galaksen s rødskift placerer den i en afstand af 130 millioner lysår. Uden tvivl var her den optiske modstykke til både neutronstjernekollisionen, der frembragte tyngdekraftsignalet og det korte gammastråle-urtag smack i overlapningsregionen i LIGO s banan, Fermi s fejl boks, og Jomfruen s blinde plet.

I de efterfølgende dage og uger observerede snesevis af jordbaserede teleskoper og rumobservatorier dette punkt, herunder Hubble-rumteleskopet, Gemini South, Keck, Det Europæiske Sydlige Observatorium s Very Large Telescope, ALMA, Chandra X- ray Observatory (det afhentede røntgenstråler ca. 9 dage efter begivenheden) og Very Large Array (16 dage efter styrtet).

Jeg ville tro, at dette er den mest intenst observerede astronomiske begivenhed i historien, siger Kalogera. Papiret, der beskriver opfølgningsobservationer (uofficielt kendt som multi-messenger-papiret ), er coauthored af næsten 4.000 astronomer fra mere end 900 institutioner. Dette repræsenterer omkring en tredjedel af det verdensomspændende astronomiske samfund, siger hun. Og det er kun et af mange artikler om GW170817, der går online i dag (16. oktober), i tidsskrifter, der inkluderer fysiske gennemgangsbrev, The Astrophysical Journal, Science og Nature .

Slående guld

Denne farvekodede periodiske tabel grupperer elementer efter, hvordan de blev produceret i universet. Brint og helium stammer fra Big Bang. Tyngre elementer op til jern smedes generelt i kerne af massive stjerner. Den elektromagnetiske stråling, der er fanget fra GW170817, bekræfter nu, at elementer, der er tungere end jern, syntetiseres i store mængder eftervirkningen af ​​neutronstjernekollisioner.
Jennifer Johnson / SDSS / CC BY 2.0 (ændret)

Den falmende efterspørgsel efter neutronstjernekollisionen er nu blevet observeret ved enhver mulig bølgelængde, fra røntgenstråler og ultraviolet gennem optisk og infrarød, helt til millimeter og radiobølger. Efterfølgende fænomen er kendt som en kilonova - en eksplosiv begivenhed, der er mindre lysende end en supernova, men omkring tusind gange så lys som en normal nova. Kun en gang før, i juni 2013, har astronomer fundet en kilonova sammen med en kort gammastråle-burst, men den ene var ekstremt svag og forekom i en afstand af ca. 4 milliarder lysår.

Kilonova er dybest set den sydende ildkugle fra neutronstjernens smash-up. Bunker af varmt, tæt kernemateriale kastes ud i rummet i alle mulige retninger, hvor hastigheder let når op til 20% eller 30% lysets hastighed. Befriet fra neutronstjernes ekstreme tyngdekraft udvider resterne og mister hurtigt sin ultrahøj densitet. Neutroner begynder nu at nedbryde til protoner, og i den resulterende termonukleære kedel kombineres disse to typer partikler til tunge atomkerner, hvoraf mange er meget radioaktive. Hvad der er tilbage er en utrolig varm ekspanderende skal, fyldt med nogle af de tyngste elementer i det periodiske system.

Spektroskopiske observationer fra X-Shooter-instrumentet ved Very Large Telescope og andre instrumenter har faktisk afsløret eksistensen af ​​såkaldte sjældne jordartselementer og andre tungmetaller som platin, bly og guld. Observationer ser ud til at bekræfte teorien om, at størstedelen af ​​elementer, der er mere massiv end jern, produceres ved forfald af nukleare stoffer i kølvandet på neutronstjernekollisioner snarere end i supernovaeksplosioner.

Tilsyneladende med opdagelsen af ​​modstykket til GW170817, slog forskere bogstaveligt talt guld. Edo Berger (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) beregnet engang, at en run-of-the-mill neutronstjernefusion muligvis producerer ikke mindre end 10 gange månens masse i rent guld. Gijs Nelemans (Radboud Universitet, Holland) mener, at det godt kan være meget højere, op til et par jordmasser.

Ifølge Edward van den Heuvel (University of Amsterdam), en pensioneret ekspert på kompakt binærstjerneudvikling, er der hidtil blevet opdaget 16 binære neutronstjerner i Mælkevejen. ”Fra dette antal estimerer jeg, at neutronstjernekollisioner forekommer en gang hvert 50.000 år i vores Melkevej-galakse, ” siger han. ”Over Mælkevejenes alder svarer det til et par hundrede tusind af disse guldgydende begivenheder i kun en galakse. Det er meget guld. ”

Resterende mysterier

Masserne af stjernernes rester måles på mange forskellige måder. Denne grafik viser masserne for sorte huller detekteret gennem elektromagnetiske observationer (lilla); de sorte huller målt ved gravitationsbølgeobservationer (blå); neutronstjerner målt med elektromagnetiske observationer (gul); og masserne af neutronstjernerne, der fusionerede i en hændelse kaldet GW170817, som blev opdaget i gravitationsbølgen s (orange). Resten af ​​GW170817 er ikke klassificeret og mærket som et spørgsmålstegn.
LIGO / Jomfruen, Frank Elavsky / Northwestern

Der er dog nogle få mysterier tilbage. Den ene er arten af ​​gammastrålesignalet observeret af Fermi. Hvis GRB170817A var en regelmæssig gammastråle-burst, må en af ​​dens jetfly have været rettet mod vores hjemmeplanet. Men i dette tilfælde ville astronomer have forventet at opdage en gammastråle-lysstyrke mindst 10.000 gange mere kraftfuld end hvad de gjorde, i betragtning af den lille afstand på 130 millioner lysår.

Imidlertid skulle jetflyet også have produceret hurtig røntgenemission, som ikke blev fundet. Selv hvis vi tilfældigvis observerede strålen i en vinkel på, for eksempel, 20 grader (hvilket kan forklare den lave gamma-lysstyrke), ville vi også have forventet røntgenstråler.

Kalogera, Eleonora Troja (NASA Goddard og University of Maryland), der førte røntgenopfølgningen, og andre mener stadig, at en jetstråle uden for aksen er den mest sandsynlige forklaring på svagheden ved gammastråle-burst. Troja siger også, at forsinkelsen i røntgenstråler ville være naturlig, når man ser på jetjet fra en vinkel.

Mansi Kasliwal (Caltech) antyder et andet scenarie, hvor jetflyene sidder fast i en tyk kokon af materiale, der blev skubbet ud af kollisionen med neutronstjernen. I hendes model, når kokonen bliver mindre tæt, udsender den muligvis kort isotropiske gammastråler på et meget svagere niveau. Wijers havde fremsat et lignende scenario for at forklare den underlige opførsel af burst GRB980425, som også var relativt tæt og overraskende svag og faldt sammen med en supernovalignende eksplosion kendt som SN 1998bw. Wijers bemærker også, at modellen pænt redegør for overgangen til den optiske modstykke til GRB170817 fra blå til rød bølgelængder inden for 48 timer.

En detaljeret analyse af kilonova-observationer kan eventuelt løse problemet. Og fremtidige observationer af stedet for den kosmiske katastrofe kunne også kaste lys over et andet, som endnu ikke er opløst, hvilket skæbne de to neutronstjerner havde? Selvfølgelig blev en lille brøkdel af deres samlede masse kastet ud i rummet, men hvad skete der med resten? Faldt de to bystore stjerner sammen til en hypermassiv neutronstjerne med et par solmasser, eller kollapsede de i et stjernemasse sort hul? Astronomer har kun opdaget et par neutronstjerner, der vejer over 2 solmasser - en øvre grænse, der kan have konsekvenser for disse stjerners fysik. Fusionens restmasse kan potentielt være meget informativ.

LIGO-dataene kan ikke give svaret; de sidste faser af fusionsbegivenheden blev ikke overholdt. Med de tidligere kollisioner i sort hul kunne LIGO opdage antydninger til kollisionens "nedkøringsfase", en kort periode, hvor amplituden af ​​Einstein-bølgerne hurtigt faldt ned til nul. Fra egenskaberne ved denne nedtrapning var astronomer i stand til at estimere den endelige masse af det fusionerede sorte hul.

Men i tilfælde af GW170817 var bølgefrekvensen blevet for høj til, at LIGO kunne se den, før de to neutronstjerner faktisk kolliderede, og den mistede signalet, siger Kalogera. Så astronomer har ikke nogen observationsdata til at begrænse egenskaberne for de fusionerede objekter. Desuden er estimater af neutronstjernes begynnelsesmasser ikke præcise nok til at yde megen hjælp.

Nelemans er selvsikker nok til at hævde, at kollisionen må have produceret et nyt sort hul. ”Hvis der var en neutronstjerne der lige nu, ville det være ekstremt varmt, og vi ville have opdaget det i røntgenstråler, ” siger han.

Men Kalogera er ikke så sikker. ”Vi har virkelig ingen idé, ” siger hun. ”Røntgensignalet fra den varme overflade kan midlertidigt blive absorberet af ejectaen. Jeg vil ikke udelukke muligheden for en hypermassiv neutronstjerne. Hvem ved, inden for et par uger eller måneder kan vi være heldige nok til at opdage stråling fra dens overflade eller måske endda impulser [fra røntgenstråler eller radiobølger] på grund af objektets ekstremt hurtige rotation. ”

At lave historie

For at opsummere kan observationer, der præsenteres i dag, spektakulære, som de allerede er, vise sig at være den sproglige spids af isbjerget for fremtidige afsløringer om gammastråle-bursts, binær stjerneudvikling, tung elementssyntese, generel relativitet, materiens opførsel i ekstreme miljøer og egenskaber ved neutronstjerner. Fysikere er især interesseret i de materielle egenskaber ved disse hypertætte stjernesterester, der let pakker hundrede tusind tons stof i et volumen på en kubik millimeter. Vi kan umuligt håbe at genskabe sådanne ekstreme forhold i et laboratorium på Jorden.

I princippet bør en detaljeret undersøgelse af gravitationsbølgesignaler som GW170817 give mere information. Når de to neutronstjerner trækker sig nærmere og tættere, vil de blive strakt og presset af gensidige tidevandsstyrker. Størrelsen af ​​de resulterende deformationer fortæller fysikere noget om den indre struktur i stjernen, hvordan dens densitet ændres med dybde, dens materialestivhed osv. Denne såkaldte ligning af staten er endnu ikke bestemt på grundlag af de nuværende GW170817 observationer. Efter sandsynlighed vil det tage mange flere lignende begivenheder, før det bliver muligt at drage de rigtige statistiske konklusioner.

Alligevel forklarer Kalogera, at det forhold, at neutronstjernens sammenhængen producerede en massiv, relativistisk ekspanderende ildkugle (kilonova), sætter nogle begrænsninger for statens ligning. ”Af forskellige årsager forklares de nye observationer lettere, hvis neutronstjerner er på den lille side af det postulerede størrelsesområde, ” siger hun - sandsynligvis mere som 20 kilometer over 30. Mindre størrelser kunne indikere ekstreme former for stof dybt inden for neutronstjernenes kerner (se S&T 'juli 2017 omslagshistorie for detaljer).

Så ja, nobelprisvinderen Barry Barish har helt ret: den nye opdagelse etablerer gravitationsbølgeforskning som et nyt nye felt. Og det vokser også hurtigt. Van den Heuvel kan ikke vente med at se det næste spektakulære gennembrud. ”Disse målinger er utroligt hårde, ” siger han. ”Det er næsten umuligt at forestille sig at måle rumtider, der er meget mindre end en atomkerne. Men inden for 20 år eller derover kan gravitationsbølgemålinger være lige så rutine som røntgenobservationer er blevet i de sidste 40 år. Det er virkelig ud over mine vildeste drømme. ”


Læs historien bag kulisserne om den første detektering af gravitationsbølger fra fusion af sorte huller i vores september 2017-udgave.