science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Afterglow werpt licht op de natuur, oorsprong van neutronensterbotsingen

Een artistieke weergave van twee neutronensterren die samensmelten. Krediet:NSF/LIGO/Sonoma State/A. Simonnet

Het laatste hoofdstuk van de historische detectie van de krachtige samensmelting van twee neutronensterren in 2017 is officieel geschreven. Nadat de extreem heldere burst uiteindelijk vervaagde tot zwart, een internationaal team onder leiding van de Northwestern University heeft nauwgezet de nagloeiing aangelegd - het laatste stukje van de levenscyclus van het beroemde evenement.

Het resulterende beeld is niet alleen de diepste foto van de nagloeiing van de neutronenster tot nu toe, het onthult ook geheimen over de oorsprong van de fusie, de jet die het creëerde en de aard van kortere gammaflitsen.

"Dit is de diepste blootstelling die we ooit hebben genomen van deze gebeurtenis in zichtbaar licht, " zei Wen-fai Fong van Northwestern, die het onderzoek leidde. "Hoe dieper het beeld, hoe meer informatie we kunnen krijgen."

Het onderzoek verschijnt deze maand in The Astrofysische journaalbrieven . Fong is een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en lid van CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics), een begiftigd onderzoekscentrum in Northwestern gericht op voortschrijdende studies met de nadruk op interdisciplinaire verbindingen.

Veel wetenschappers beschouwen de fusie van neutronensterren in 2017 als genaamd GW170817, als LIGO's (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) belangrijkste ontdekking tot nu toe. Het was de eerste keer dat astrofysici twee botsende neutronensterren vastlegden. Gedetecteerd in zowel zwaartekrachtsgolven als elektromagnetisch licht, het was ook de allereerste multi-messenger-waarneming tussen deze twee vormen van straling.

Het licht van GW170817 werd gedetecteerd, gedeeltelijk, omdat het in de buurt was waardoor het erg helder en relatief gemakkelijk te vinden is. Toen de neutronensterren botsten, ze straalden een kilonova uit - licht 1, 000 keer helderder dan een klassieke nova, als gevolg van de vorming van zware elementen na de fusie. Maar het was precies deze helderheid die zijn nagloed veroorzaakte - gevormd door een straaljager die bijna met de lichtsnelheid reisde, de omringende omgeving beuken - zo moeilijk te meten.

"Voor ons om de nagloed te zien, de kilonova moest uit de weg gaan, "zei Fong. "Zeker genoeg, ongeveer 100 dagen na de fusie, de kilonova was in de vergetelheid geraakt, en de nagloed nam het over. Het nagloeien was zo zwak, echter, laat het aan de meest gevoelige telescopen over om het vast te leggen."

Hubble te hulp

Vanaf december 2017, NASA's Hubble-ruimtetelescoop detecteerde het zichtbare licht na de fusie en bezocht de locatie van de fusie nog 10 keer in de loop van anderhalf jaar.

Het vak geeft aan waar de nu vervaagde afterglow zich bevond.

Eind maart 2019, Het team van Fong gebruikte de Hubble om het uiteindelijke beeld en de diepste waarneming tot nu toe te verkrijgen. Gedurende zeven en een half uur, de telescoop nam een ​​beeld op van de lucht van waaruit de neutronenster-botsing plaatsvond. De resulterende afbeelding toonde - 584 dagen na de fusie van de neutronensterren - dat het zichtbare licht dat uit de fusie voortkwam eindelijk verdwenen was.

Volgende, Fong's team moest de helderheid van de omringende melkweg verwijderen, om de extreem zwakke nagloeiing van het evenement te isoleren.

"Om het licht van de nagloed nauwkeurig te meten, je moet al het andere licht wegnemen, " zei Peter Blanchard, een postdoctoraal onderzoeker in CIERA en de tweede auteur van de studie. "De grootste boosdoener is lichtvervuiling vanuit de melkweg, dat is extreem ingewikkeld van structuur."

Fong, Blanchard en hun medewerkers gingen de uitdaging aan door alle 10 afbeeldingen te gebruiken, waarin de kilonova weg was en het nagloeien bleef evenals de finale, diep Hubble-beeld zonder sporen van de botsing. Het team legde hun diepe Hubble-afbeelding op elk van de 10 afterglow-afbeeldingen. Vervolgens, met behulp van een algoritme, ze trokken minutieus - pixel voor pixel - al het licht van het Hubble-beeld af van de eerdere afterglow-beelden.

Het resultaat:een laatste tijdreeks van beelden, met de vage nagloeiing zonder lichtvervuiling van het achtergrondstelsel. Volledig afgestemd op modelvoorspellingen, het is de meest nauwkeurige tijdreeks van GW170817's nagloeiing van zichtbaar licht die tot nu toe is geproduceerd.

"De evolutie van de helderheid komt perfect overeen met onze theoretische modellen van jets, "Zei Fong. "Het komt ook perfect overeen met wat de radio en röntgenfoto's ons vertellen."

Verhelderende informatie

Met het diepe ruimtebeeld van de Hubble, Fong en haar medewerkers verzamelden nieuwe inzichten over het thuisstelsel van GW170817. Misschien wel het meest opvallende, ze merkten dat het gebied rond de fusie niet dichtbevolkt was met sterrenhopen.

"Eerdere studies hebben gesuggereerd dat neutronensterparen zich kunnen vormen en samensmelten in de dichte omgeving van een bolvormige cluster, "zei Fong. "Onze waarnemingen tonen aan dat dit zeker niet het geval is voor deze fusie van neutronensterren."

Volgens de nieuwe afbeelding Fong gelooft ook dat verre, kosmische explosies die bekend staan ​​als korte gammastraaluitbarstingen zijn eigenlijk neutronensterfusies - alleen bekeken vanuit een andere hoek. Beide produceren relativistische jets, die zijn als een brandslang van materiaal die zich met de snelheid van het licht voortbeweegt. Astrofysici zien stralen van gammastraaluitbarstingen meestal wanneer ze direct worden gericht, alsof je rechtstreeks in de brandslang staart. Maar GW170817 werd bekeken vanuit een hoek van 30 graden, wat nog nooit eerder was gedaan in de optische golflengte.

"GW170817 is de eerste keer dat we de jet off-axis hebben kunnen zien, '", zei Fong. "De nieuwe tijdreeks geeft aan dat het belangrijkste verschil tussen GW170817 en verre korte gammaflitsen de kijkhoek is."