26. juli 2018

Nye observationer kæder gigantiske stjernekollisioner sammen med hjemløse gammaglimt

Neutronstjerne kollision:

Forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet har været involveret i opdagelsen af en stråle af lys, der kobler neutronstjerne kollisioner og kortvarige gammaglimt. Resultatet er nu publiceret i Nature Astronomy.

Kunstnerisk fremstilling af stråling efter neutronstjernesammenstød med efterfølgende gammaglimt. Billede: Mark Garlick/University of Warwick

Neutronstjerner er små, men ekstremt tunge himmellegemer, kun ca. 10 kilometer i diameter, men med samme masse som en stjerne. Når de kolliderer eller smelter sammen, produceres der enorme mængder energi.

Man har ment i nogen tid, at de er årsagen til gammaglimt, et fænomen, der først blev opdaget af 1960ernes koldkrigs satellitter til overvågning af atomvåben.

Med den nye opdagelse etableres denne forbindelse på en måde, der åbner op for, at de hundreder af de korte gammaglimt, man kender til, kan bruges i studiet af neutronstjerne kollisioner.

Hvad er et gammaglimt helt præcist?

Vi ved nu, at gammaglimt er vidnesbyrd om den ekstremt voldsomme sammensmeltning af to neutronstjerner. Et hurtigt udbrud af gammastråling følger millisekunder efter kollisionen og glimtene kan observeres fra Jorden. Hundreder af glimt er blevet registreret indtil nu, men det har ikke tidligere været muligt at koble observationerne til en sikker kilde.

Dette studie har anvendt en begivenhed fra 2017, som nu er ganske berømt, til at kæde et gammaglimt sammen med en neutronstjerne kollision. Det gav overskrifter, da den astrofysiske begivenhed GW170817 - målingen af tyngdebølger fra en sikkert identificeret astrofysisk kilde, nemlig en neutronstjerne kollision, fandt sted 17. august 2017.

Da et team af forskere, med deltagelse fra Niels Bohr Institutet, senere observerede begivenheden, blev de belønnet med den første, bekræftede observation af en jet af materiale, eftergløden, som stadig strømmede ud fra sammenstødet.

Sporene efter en heftig kollision

Detektionen af tyngdebølger har givet et væld af data, som er helt uden fortilfælde. Fx tyngderne af de sammensmeltende objekter, hvordan de roterer og den endelige masse af det resulterende, nye himmellegeme. Imidlertid er det også vigtigt at betragte det lys, spredt over mange bølgelængder, som kollisionen udsendte, for at få den fulde forståelse af begivenheden. Her er der to forskellige kilder til lys, som hver indeholder forskellig information. Den første er den umiddelbare udsendelse af højenergistråling, kun 1,7 millisekunder efter tyngdebølgesignalet, nemlig selve gammaglimtet. Den anden kilde, kilonovaen, dukker op i dagene derefter og har en meget langsommere udsendelse af optisk og infrarødt lys, som stiger i intensitet og dermed dæmpes. GW170817 forårsagede et gammaglimt, som af nogle forskere menes at have været dæmpet, fordi Jorden ikke lå i ”sigtelinjen” til dette glimt, men artiklen konkluderer også, at kollisionen udsendte en jet af materiale, ligeledes i en forskudt vinkel på Jorden, ved at registrere synligt lys fra eftergløden måneder efter sammensmeltningen. Denne jetstrøm af materiale skal skelnes fra kilonovaens optiske udsendelse af lys, fordi lyset besidder karakteristika, som passer med udsendelsen af en jet fra kollisionen. Dermed er der skabt forbindelse mellem det jet-drevne, korte gammaglimt og neutronstjerne kollisionen. Rammen om en ny forståelse af både GW170817 og de hundreder af tidligere observationer af ”hjemløse” gammaglimt er altså etableret.

Det større perspektiv

En særlig interesse samler sig om oprindelsen til de tungere grundstoffer, som stadig er genstand for en heftig debat mellem forskerne. Mange er nu af den overbevisning, at de sjældne grundstoffer på Jorden, fx guld og platin, dannes i disse sammensmeltninger og spredes i universet. Man mangler dog stadig klart at kunne identificere disse grundstoffers oprindelse, men med det foreliggende resultat, kan man lave statistik på neutronstjerne kollisionerne ved at anvende gammaglimt. Dermed bliver det måske muligt at regne ”baglæns” fra forekomsten af gammaglimt til sammenstød og fastslå egenskaberne ved neutronstjerner generelt.

Jens Hjorth, Johan Fynbo, Christa Gall, Bo Milvang-Jensen og Darach Watson fra Niels Bohr Institutet tog del i arbejdet med publikationen. Arbejdet er støttet af Villum fonden og Carlsberg fondet.

Link til download af artiklen >>

Jens Hjorth, professor og leder af Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Telefon: +45 3532-5928, Email: jens@dark-cosmology.dk

Johan Peter Uldall Fynbo, professor MSO, Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Email: jfynbo@nbi.ku.dk Telefon: +45 35 32 59 83 Mobil: +45 28 75 59 83

Christa Gall, Lektor, Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Email: Christa.gall@nbi.ku.dk Telefon: +45 35 32 60 76

Darach Jafar Watson, Lektor, Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Email: darach@nbi.ku.dk Telefon: +45 35 32 59 94 Mobil: +45 24 80 38 25

Emner

Se også:

Kontakt

Jens Hjorth, professor og leder af Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Telefon: +45 3532-5928, Email: jens@dark-cosmology.dk

Ordforklaringer

Hvad er: neutronstjerne, sort hul, supernova, kilonova, tyngdebølge....

Læs mere >>

Neutronstjerne
Når en stjerne langt større end Solen har opbrugt sit brændstof, så atomkerner ikke længere kan smelte sammen i dens indre, kollapser den under sin egen vægt. Den eksploderer som en supernova, og tyngdekraften sætter atomerne i dens kerne under så stort et pres, at elektroner og protoner finder sammen og bliver til neutroner. Man kan sige, at stjernens indre forvandles til en kæmpemæssig atomkerne kun bestående af neutroner, med en størrelse som Storkøbenhavn (cirka 20 km i diameter), men med en masse lidt større end Solens. En neutronstjerne er så uhyre kompakt, at en teskefuld neutronstjernestof ville veje omtrent lige så meget som Mount Everest.

Sort hul
De allerstørste stjerner efterlader ikke neutronstjerner, men i stedet sorte huller. Her er massen af stjernens indre så stor, at stoffet kollapser fuldstændig, og der dannes et område med så stærk tyngdekraft, at end ikke lys kan undslippe. Sorte huller kan også dannes, når neutronstjerner kolliderer, og desuden findes der gigantiske sorte huller i midten af galakser.

Kilonova
En kilonova, også kaldet en makronova, opstår ved sammenstødet mellem to neutronstjerner. I kollisionen udslynges store mængder stof, som lyser kraftigt op, ikke mindst på grund af henfaldet af nydannede tunge grundstoffer. En kilonova lyser langt stærkere end en nova, men ikke nær så stærkt som en supernova.

Nova
En nova er en midlertidig genopblussen af en stjerne, der egentlig er udbrændt. Når en udbrændt stjerne af typen hvid dværg er den ene part i et dobbeltstjernesystem, kan den tiltrække gas fra den anden stjerne, så der ophobes brint på overfladen. Brinten kan eksplodere som en kolossal brintbombe, og så lyser den hvide dværgstjerne pludselig langt kraftigere, end den plejer at gøre. Den kan lyse som tusinder af sole i nogle uger eller måneder.

Supernova
De største stjerner dør i enorme supernova-eksplosioner, hvor de kortvarigt kan lyse kraftigere end samtlige stjerner i en galakse tilsammen. Supernovaer kan også dannes i dobbeltstjerne-systemer, hvor der udveksles stof mellem stjernerne. En supernova efterlader en neutronstjerne eller et sort hul.

Lysår
Den afstand, som lys kan tilbagelægge på et år. Svarer til 9,46 billioner km.

Tyngdebølge
Når to objekter ændrer retning og/eller fart i forhold til hinanden, ændres rumtiden omkring dem på en måde, så der udsendes tyngdebølger – ganske små krusninger i rumtiden. De udsendes for eksempel, når himmellegemer kredser om hinanden. Jo større acceleration og jo større og mere kompakte masser, desto kraftigere tyngdebølger. Man kan sige, at tyngdebølger er tyngdekraft, der løsriver sig fra sin kilde og farer gennem rummet med lysets hastighed. Hvor de når frem, ændrer rumtiden sig en ganske lille smule, og de kraftigste tyngdebølger kan måles ved hjælp af tyngdebølgedetektorer.

Tyngdebølgedetektorer
For at detektere tyngdebølger fra voldsomme begivenheder i universet, skal man bruge ekstremt følsommedetektorer. Når en tyngdebølge rammer, forandres rumtiden, så alting først bliver længere på den ene led og kortere på den anden og bagefter omvendt, men det er uhyre små forandringer, der er tale om. Indtil videre er tre tyngdebølgedetektorer følsomme nok til at opfange tyngdebølger, nemlig de to LIGO-detektorer i hver sin ende af USA og Virgo-detektoren i Italien. Tyngdebølgerne måles ved hjælp af laser-interferometri, hvor der sendes kraftige laserstråler frem og tilbage i to kilometerlange rør vinkelret på hinanden. En kraftig tyngdebølge gør de ene rør kortere og det andet længere, og det kan måles – selv om det kun drejer sig om forskelle svarende til mindre end en tusindedel af størrelsen på en atomkerne.

Elektromagnetisk stråling
Himmellegemer (bortset fra sorte huller) udsender elektromagnetisk stråling i mange forskellige bølgelængder, og astronomer vil gerne opfange så meget stråling som muligt, når de undersøger et objekt.

- Gammastråling er den mest energirige form for elektromagnetisk stråling. Den udsendes i såkaldte gammaglimt fra nogle af de voldsomste begivenheder i universet. Gammastråler har dog svært ved at trænge igennem atmosfæren, så det kræver rumteleskoper at opfange gammastråler fra kosmiske kilder.

- Røntgenstråler kan også kun opfanges af rumteleskoper. I universet kommer kraftige røntgenstråler for eksempel fra stof, der er på vej ned i et sort hul.

- Ultraviolet stråling har kortere bølgelængder end det lys, vi kan opfange med øjnene. Solen udsender ultraviolet lys, men det meste bliver stoppet af ozonlaget. Den ultraviolette stråling opfanges bedst af rumteleskoper.

- Optisk lys er det, vi kan se med øjnene. Lys fra himmellegemer kan opfanges af optisk teleskoper på Jorden eller i rummet.

- Infrarød stråling har længere bølgelængde end synligt lys. Strålingen trænger dårligt gennem atmosfæren, men den kan observeres fra højtliggende teleskoper, fra fly og fra rumteleskoper. Det nærinfrarøde lys er det, der ligger tættest på det synlige lys.

- Radiobølger er de elektromagnetiske bølger, der har længst bølgelængde. De kaldes sådan, fordi de benyttes til radiotransmissioner, men de udsendes også naturligt af mange himmellegemer.

Niels Bohr Institutet