Wanneer twee neutronensterren in elkaar spiralen en samensmelten tot een zwart gat - een gebeurtenis die in 2017 is geregistreerd door zwaartekrachtgolfdetectoren en telescopen over de hele wereld - wordt het dan onmiddellijk een zwart gat? Of duurt het even voordat hij naar beneden draait voordat hij door de zwaartekracht langs de waarnemingshorizon in een zwart gat instort?

Lopende waarnemingen van die fusie in 2017 door de Chandra X-ray Observatory, een in een baan om de aarde draaiende telescoop, suggereert het laatste:dat het samengevoegde object bleef hangen, waarschijnlijk slechts een seconde, voordat het de uiteindelijke ineenstorting onderging.

Het bewijs is in de vorm van een röntgenstraling van de fusie, genaamd GW170817, die niet zou worden verwacht als de samengevoegde neutronensterren onmiddellijk instortten tot een zwart gat. Het nagloeien kan worden verklaard als een terugkaatsing van materiaal van de samengesmolten neutronensterren, die door het materiaal rond de binaire neutronensterren ploegden en het verhitten. Dit hete materiaal heeft het overblijfsel nu gestaag laten gloeien, meer dan vier jaar nadat de fusie materiaal naar buiten gooide in wat een kilonova wordt genoemd. Röntgenstraling van een straal materiaal die kort na de fusie door Chandra werd gedetecteerd, zou anders nu minder worden.

Terwijl de overtollige röntgenstraling die door Chandra wordt waargenomen, afkomstig kan zijn van puin in een accretieschijf die ronddraait en uiteindelijk in het zwarte gat valt, geeft astrofysicus Raffaella Margutti van de University of California, Berkeley, de voorkeur aan de hypothese van vertraagde instorting, die theoretisch wordt voorspeld.

"Als de samengevoegde neutronensterren rechtstreeks zouden instorten tot een zwart gat zonder tussenstadium, zou het heel moeilijk zijn om deze overmaat aan röntgenstraling die we nu zien te verklaren, omdat er geen hard oppervlak zou zijn waar dingen vanaf kunnen stuiteren en vliegen met hoge snelheden om deze nagloed te creëren", zegt Margutti, universitair hoofddocent astronomie en natuurkunde aan de UC Berkeley. "Het zou er gewoon in vallen. Klaar. De echte reden waarom ik wetenschappelijk opgewonden ben, is de mogelijkheid dat we iets meer zien dan de jet. Misschien krijgen we eindelijk wat informatie over het nieuwe compacte object."

Margutti en haar collega's, waaronder eerste auteur Aprajita Hajela, die Margutti's afstudeerstudent was toen ze aan de Northwestern University was voordat ze naar UC Berkeley verhuisde, rapporteren hun analyse van de nagloeiing van röntgenstralen in een paper dat onlangs is geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journaalbrieven .

De radioactieve gloed van een kilonova

Zwaartekrachtgolven van de fusie werden voor het eerst gedetecteerd op 17 augustus 2017 door de Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) en de Virgo-samenwerking. Telescopen op satelliet en op de grond volgden snel en registreerden een uitbarsting van gammastralen en zichtbare en infrarode emissies die samen de theorie bevestigden dat veel zware elementen worden geproduceerd in de nasleep van dergelijke samensmeltingen in hete ejecta die een heldere kilonova produceren. De kilonova gloeit vanwege het licht dat wordt uitgestraald tijdens het verval van radioactieve elementen, zoals platina en goud, die worden geproduceerd in het fusieafval.

Ook Chandra draaide zich om om GW170817 te observeren, maar zag pas negen dagen later röntgenstralen, wat suggereert dat de fusie ook een smalle straal materiaal produceerde die, bij een botsing met het materiaal rond de neutronensterren, een kegel van röntgenstralen uitzond die aanvankelijk de aarde miste. Pas later zette de kop van de jet uit en begon hij röntgenstralen uit te zenden in een bredere jet die vanaf de aarde zichtbaar was.

De röntgenstraling van de jet nam gedurende 160 dagen na de fusie toe, waarna ze steeds zwakker werden naarmate de jet langzamer ging draaien en uitdijde. Maar Hajela en haar team merkten dat vanaf maart 2020 - ongeveer 900 dagen na de fusie - tot eind 2020 de daling stopte en de röntgenstraling ongeveer constant in helderheid bleef.

"Het feit dat de röntgenfoto's snel niet meer vervaagden, was ons beste bewijs tot nu toe dat er iets anders dan een jet wordt gedetecteerd in röntgenfoto's in deze bron," zei Margutti. "Er lijkt een heel andere bron van röntgenstralen nodig te zijn om te verklaren wat we zien."

De onderzoekers suggereren dat de overtollige röntgenstralen worden geproduceerd door een schokgolf die verschilt van de jets die door de fusie worden geproduceerd. Deze schok was het gevolg van de vertraagde ineenstorting van de samengesmolten neutronensterren, waarschijnlijk omdat de snelle draaiing ervan heel kort de ineenstorting van de zwaartekracht tegenwerkte. Door een extra seconde te blijven hangen, kreeg het materiaal rond de neutronensterren een extra veerkracht die een zeer snelle staart van kilonova-ejecta produceerde die de schok veroorzaakte.

"We denken dat de kilonova-nagloeiemissie wordt geproduceerd door geschokt materiaal in het circumbinaire medium," zei Margutti. "Het is materiaal dat zich in de omgeving van de twee neutronensterren bevond en werd geschokt en opgewarmd door de snelste rand van de kilonova-ejecta, die de schokgolf veroorzaakt."

De straling bereikt ons nu pas omdat het tijd kostte om de zware kilonova-ejecta te vertragen in de omgeving met een lage dichtheid en om de kinetische energie van de ejecta door schokken in warmte om te zetten, zei ze. Dit is hetzelfde proces dat radio- en röntgenstralen voor de jet produceert, maar omdat de jet veel, veel lichter is, wordt hij onmiddellijk afgeremd door de omgeving en schittert hij in de röntgen- en radio vanaf de allereerste tijden.

Een alternatieve verklaring, merken de onderzoekers op, is dat de röntgenstralen afkomstig zijn van materiaal dat valt in de richting van het zwarte gat dat ontstond nadat de neutronensterren samensmolten.

"Dit zou de eerste keer zijn dat we een kilonova-nagloed zien of de eerste keer dat we materiaal op een zwart gat zien vallen na een fusie van neutronensterren", zegt co-auteur Joe Bright, een postdoctoraal onderzoeker van UC Berkeley. "Beide resultaten zouden buitengewoon opwindend zijn."

Chandra is nu het enige observatorium dat nog het licht van deze kosmische botsing kan detecteren. Vervolgwaarnemingen door Chandra en radiotelescopen zouden echter onderscheid kunnen maken tussen de alternatieve verklaringen. Als het een kilonova-nagloed is, wordt verwacht dat de radio-emissie in de komende maanden of jaren opnieuw zal worden gedetecteerd. Als de röntgenstralen worden geproduceerd door materie die op een nieuw gevormd zwart gat valt, dan zou de röntgenstraling stabiel moeten blijven of snel afnemen en zal er na verloop van tijd geen radio-emissie worden gedetecteerd.

Margutti hoopt dat LIGO, Virgo en andere telescopen zwaartekrachtgolven en elektromagnetische golven van meer neutronensterfusies zullen vastleggen, zodat de reeks gebeurtenissen voorafgaand aan en volgend op de fusie nauwkeuriger kan worden vastgesteld en de fysica van de vorming van zwarte gaten kan worden onthuld. Tot die tijd is GW170817 het enige voorbeeld dat beschikbaar is voor studie.

"Verdere studie van GW170817 kan verstrekkende gevolgen hebben", zegt co-auteur Kate Alexander, een postdoctoraal onderzoeker die ook van de Northwestern University is. "De detectie van een kilonova-nagloed zou impliceren dat de fusie niet onmiddellijk een zwart gat heeft voortgebracht. Als alternatief kan dit object astronomen een kans bieden om te bestuderen hoe materie een paar jaar na zijn geboorte op een zwart gat valt."

Margutti en haar team hebben onlangs aangekondigd dat de Chandra-telescoop röntgenstraling heeft gedetecteerd bij waarnemingen van GW170817 in december 2021. De analyse van die gegevens is aan de gang. Er is geen radiodetectie in verband met de röntgenfoto's gemeld.