​Så skulle det kunna se ut när två neutronstjärnor smälter samman. Ett hölje av gas och plasma slungas ut i rymden och en stråle bryter igenom detta skal. ​
Beabudai Design​

Radioteleskop ger avgörande insikt i berömd stjärnkrock

​Astronomer har kombinerat radioteleskop från fem kontinenter, bland dem 25-metersteleskopet i Onsala, för att bevisa förekomsten av en kompakt och extremt energirik jetstråle av material som kommer från en kollision mellan två neutronstjärnor. Kollisionen är enda gången hittills där både ljus och gravitationsvågor registrerats från samma händelse. 
Den 17 augusti 2017 observerades två neutronstjärnor som kolliderade och producerade gravitationsvågor som upptäcktes av amerikanska LIGO och europeiska Virgo. Neutronstjärnor är ultrakompakta stjärnor, med en massa motsvarande solens, men av en storlek som kan jämföras med en stad som Stockholm eller Göteborg. 

Kollisionen är den första och enda som har observerats hittills, och inträffade i en galax 130 miljoner ljusår från jorden. Sammansmältande neutronstjärnor tros vara en källa till många av de vanligaste tunga grundämnen, bland dem guld. Astronomer observerade händelsen i augusti 2017 och den efterföljande utvecklingen över hela det elektromagnetiska spektrumet, från gamma- och röntgenstrålar till synligt ljus och radiovågor. 

När radioteleskop på fem kontinenter tillsammans observerade efterdyningarna 2018 gjorde forskarna en viktig upptäckt: en stråle av energiska partiklar som skapades den våldsamma kollisionen.

– Sådana ”jetstrålar” skapas nära några av universums mest extrema objekt, speciellt nära svarta hål. Att få se just hur en sådan stråle bildas i den här unika stjärnkollisionen är både spännande och viktigt, säger teammedlemmen Jun Yang, astronom vid Onsala rymdobservatorium, Chalmers. 

Dessa fynd har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science av ett internationellt team av astronomer, ledda av Giancarlo Ghirlanda från National Institute for Astrophysics (INAF, Italien).

Stjärnkrocken är det första fallet där både gravitationsvågor och ljus registrerats från samma händelse, något som bekräftat vetenskapliga teorier som har diskuterats i tiotals år. Det visar också på kopplingen mellan sammansmältande neutronstjärnor och några av de mest kraftfulla och energirika explosionerna i universum: gammablixtarna. 

Efter kollisionen slungades en stor mängd material ut i rymden och bildade ett hölje eller skal runt objektet. Astronomer har sedan dess följt utvecklingen genom observationer i ljus med många olika våglängder, men saknade svar på några fundamentala frågor.

– Vi förväntade att en del av materialet skulle slungas ut i en koncentrerad stråle, men det var oklart om det materialet skulle lyckas ta sig igenom det omgivande skalet, förklarar Ghirlanda.

– Det fanns två scenarier: I det ena fallet kan strålen inte bryta igenom skalet, utan expanderar istället bubblan av material runt objektet. I det andra penetreras bubblans skal och strålen fortsätter  ut i rymden, tillägger Tiziana Venturi (INAF).

För att bevisa det ena eller andra scenariot krävdes extremt känsliga radiobilder med mycket hög upplösning. Det i sin tur kräver användningen av en teknik som kallas långbasinterferometri (VLBI, Very Long Baseline Interferometry), som gör det möjligt för astronomer att observera med hjälp av synkroniserade radioteleskop över hela jorden.

I artikeln beskrivs observationer som gjordes den 12 mars 2018 med 33 radioteleskop över hela världen. Mätningarna från teleskop skickades sedan till forskningsinstitutet i Nederländerna där de avancerade bearbetningsmetoder användes för att producera en bild med extremt hög upplösning: jämförbar med att kunna se en människa på månens yta. För att fortsätta samma liknelse skulle den expanderande bubblan med material i den fjärran galaxen motsvara storleken av en lastbil på månen och själva jetstrålen vara ett ännu mer kompakt objekt. 

– När vi jämför de teoretiska bilderna med de faktiska observationerna finner vi att endast en jetstråle kan vara tillräckligt kompakt för att motsvara den observerade storleken, förklarar Om Sharan Salafia (INAF).

Laget kom fram till att jetstrålen innehöll lika mycket energi som produceras av alla stjärnor i vår galax under ett år. 

– Och all den energin fanns på ett område som var mindre än ett ljusår, säger Zsolt Paragi (JIVE).

Under de närmaste åren kommer många fler av dessa binära sammanslagningar av neutronstjärnor att upptäckas. 

– Resultaten visar också att mer än 10 procent av sådana här kollisioner kan uppvisa en motsvarande jetstråle, förklarar Benito Marcote (JIVE). 

– Dessa typer av observationer gör det möjligt för oss att lära mer om de processer som äger rum under och efter några av de mest kraftfulla händelserna i universum, avslutar Sándor Frey vid Konkolyobservatoriet, Ungern).


Kontakter

Robert Cumming, kommunikatör, Onsala rymdobservatorium, Chalmers, tel: 031-772 5500 eller 070 493 3114, robert.cumming@chalmers.se.

Jun Yang, astronom, Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, epost: jun.yang@chalmers.se, tel: 031 772 5531

Mer om forskningen, om teleskopnätverken och om långbasinterferometri 

Forskningsresultaten publiceras i artikeln Compact radio emission indicates a structured jet was produced by a binary neutron star merger av G. Ghirlanda med flera i tidskriften Science (doi: 10.1126/science.aau8815​).

Långbasinterferometri eller VLBI (very long baseline interferometry) är en astronomisk metod som går ut på att flera radioteleskop som ligger långt från varandra samtidigt observerar samma område på himlen. Data från varje teleskop skickas sedan till en central dator, korrelatorn, för att skapa bilder med högre upplösning än till och med världens bästa teleskop för synligt ljus.
Trettiotre radioteleskop deltog i denna observation: Yebes (Spanien), Jodrell Bank (Storbritannien), E-MERLIN (UK), Westerbork (Nederländerna), Effelsberg (Tyskland), Medicina (Italien), Onsala (Sverige), Noto Italien), Torun (Polen), Irbene (Lettland), Hartebeesthoek (Sydafrika), Zelenchukskaya (Ryssland), Urumqi (Kina), Badaryn (Ryssland), Kunming (Kina), Tianma (Kina), Ceduna (Australien), Hobart (Australien), Parkes (Australien), Mopra (Australien), Australia Telescope Compact Array (Australien), Warkworth (Nya Zeeland), Mauna Kea (USA), Brewster (USA), Owens Valley (USA), Kitt Peak , Pie Town (USA), Karl G. Jansky Very Large Array (USA), Los Alamos (USA), Fort Davis (USA), North Liberty (USA), Green Bank (USA), Hancock (USA) och St. Croix (USA).
Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE; www.jive.eu) har som huvuduppdrag att stå för driften och utvecklingen av EVN-processorn, en kraftfull superdator som kombinerar signalerna från radioteleskop i hela världen. JIVE grundades 1993 och är sedan 2015 ett ERIC (European Research Infrastructure Consortium) med sex medlemsländer: Lettland, Nederländerna, Storbritannien, Sverige, Frankrike och Spanien. JIVE stöds även av partnerinstitut i Italien, Kina, Sydafrika och Tyskland.

Bilder

A (överst) Så skulle det kunna se ut när två neutronstjärnor smälter samman. Ett hölje av gas och plasma slungas ut i rymden och en stråle bryter igenom detta skal. Bild: Beabudai Design.

B Representation av alla radioteleskop som deltog i denna observation. Karta: Paul Boven (JIVE)/NASA Visible Earth

Publicerad: to 21 feb 2019.