science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Spitzer infraroodwaarnemingen van een zwaartekrachtgolfbron - een fusie van binaire neutronensterren

Het IRAC-infraroodbeeld van de emissie op 4,5 micron van de samensmelting van twee neutronensterren, voor het eerst gedetecteerd door zwaartekrachtgolfdetectoren. De foto werd 43 dagen na de fusie genomen. Na geavanceerde verwerking om het grootste deel van een zeer helder object in de buurt te verwijderen, linksboven is de fusiebron duidelijk te zien, gemarkeerd met rood. Krediet:NASA/Spitzer/SAO Villar et al., 2018

GW170817 is de naam die is gegeven aan een zwaartekrachtgolfsignaal dat op 17 augustus 2017 door de LIGO- en Virgo-detectoren is waargenomen. Het duurt ongeveer 100 seconden en het signaal werd geproduceerd door de fusie van twee neutronensterren. De waarneming werd vervolgens bevestigd - de eerste keer dat dit gebeurde voor zwaartekrachtsgolven - door waarnemingen met lichtgolven:de voorgaande vijf detecties van samensmeltende zwarte gaten hadden (en werden ook niet verwacht) detecteerbare elektromagnetische signalen. Het licht van de fusie van neutronensterren wordt geproduceerd door het radioactieve verval van atoomkernen die daarbij ontstaan. (Neutronensterrenfusies doen meer dan alleen optisch licht produceren, tussen haakjes:ze zijn ook verantwoordelijk voor het maken van het grootste deel van het goud in het universum.) Talrijke optische waarnemingen op de grond van de fusie concludeerden dat de vervallen atoomkernen in ten minste twee groepen vallen, een snel evoluerend en snel bewegend element dat bestaat uit elementen die minder massief zijn dan elementen uit de Lanthanide-serie, en een die langzamer evolueert en wordt gedomineerd door zwaardere elementen.

Tien dagen na de fusie, de continuüm-emissie piekte bij infrarode golflengten met een temperatuur van ongeveer 1300 kelvin, en bleef afkoelen en dimmen. De Infrared Array Camera (IRAC) op de Spitzer Space Telescope observeerde het gebied rond GW170817 gedurende 3,9 uur in drie tijdperken 43, 74 en 264 dagen na het evenement (SAO is de thuisbasis van IRAC PI Fazio en zijn team). De vorm en evolutie van de emissie weerspiegelen de fysieke processen op het werk, bijvoorbeeld, de fractie zware elementen in de ejecta of de mogelijke rol van koolstofstof. Door de flux in de loop van de tijd te volgen, kunnen de astronomen hun modellen verfijnen en begrijpen wat er gebeurt als neutronensterren samensmelten.

Een team van CfA-astronomen, Victoria Villar, Philip Cowperthwaite, Edo Berger, Peter Blanchard, Sebastiaan Gomez, Kate Alexander, Tarraneh Eftekhari, Giovanni Fazio, James Guillochon, Joe Hora, Matthew Nichol, en Peter Williams en twee collega's namen deel aan een poging om de infraroodwaarnemingen te meten en te interpreteren. De bron was extreem zwak en ligt bovendien dicht bij een zeer heldere puntbron. Met behulp van een nieuw algoritme om de IRAC-afbeeldingen voor te bereiden en af ​​​​te trekken om de objecten met constante helderheid te elimineren, het team was in staat om de fusiebron duidelijk te herkennen in de eerste twee tijdperken, hoewel het zwakker was dan werd voorspeld door de modellen met meer dan ongeveer een factor twee. Tegen het derde tijdperk was het onmerkbaar gedimd. De mate van dimmen en de infraroodkleuren zijn echter consistent met modellen; in deze tijdperken was het materiaal afgekoeld tot ongeveer 1200 kelvin. Het team suggereert verschillende mogelijke redenen voor de verrassende zwakte, inclusief mogelijke transformatie van de ejecta in een vage fase en merkt op dat de nieuwe dataset de modellen zal helpen verfijnen.

De wetenschappers concluderen door te benadrukken dat toekomstige detecties van het samensmelten van dubbelsterren (een verbeterde LISA zal in 2019 opnieuw beginnen te observeren) op dezelfde manier zullen profiteren van infraroodwaarnemingen, en dat karakterisering van het infrarood een nauwkeurigere bepaling van de lopende nucleaire vervalprocessen mogelijk zal maken. Hun huidige krant, Bovendien, laat zien dat Spitzer in staat zou moeten zijn om binaire fusies zo ver weg als vierhonderd miljoen lichtjaar te zien, over de afstand die de verbeterde LISA zou moeten kunnen aftasten.