När två neutronstjärnor smälte samman skickades en jetstråle ut i rymden som ser ut att röra på sig snabbare än ljuset. 

​D. Berry, O. Gottlieb, K. Mooley, G. Hallinan, NRAO/AUI/NSF

Radioteleskop avslöjar vad som hände efter berömd krock mellan neutronstjärnor

​​Ett nätverk av stora radioteleskop har spårat vad som hände efter en stjärnkrocken som skapade både gravitationsvågor och ljus i augusti 2017. Bakom forskningen ligger ett internationellt forskarlag där Chalmersastronomen Stephen Bourke ingår. 
Extremt precisa mätningar med ett vidsträckt nätverk av radioteleskop har visat att en smal stråle av partiklar som rör sig vid nästan ljusets hastighet bröt ut i den interstellära rymden när två neutronstjärnor smälte samman i en galax 130 miljoner ljusår från jorden. 

De nya fynden publiceras i en artikel som publicerades i tidskriften Natures nätupplaga den 5 september 2018. I forskarlaget, som leds av Kunal Mooley vid USA:s nationella radioastronomiska observatorium (NRAO) och Caltech, ingår Stephen Bourke, astronom vid Onsala rymdobservatorium, Chalmers.

Stjärnkrocken, som inträffade i augusti 2017, skickade gravitationsvågor krusande genom rymden. Det var det första gången som gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor –  bland annat gammastrålar, röntgenstrålar, synligt ljus och radiovågor – kunnat registreras från samma händelse.

Den nya ljuskällan på himlen efter sammanslagningen kallades GW170817 och observerades av teleskop i omloppsbana runt jorden och på marken runt om i världen. I realtid kunde forskare se hur de mottagna vågornas egenskaper förändrades med tiden. Genom att tolka förändringarna har de fått ledtrådar som kan avslöja de speciella fenomen som uppstod efter sammanslagningen.

En central fråga för forskarna under månaderna efter krocken var huruvida händelsen hade skapat en smal, snabb stråle av material som nått ända långt ut i rymden. Det var viktigt, eftersom sådana strålar väntas skapas när så kallade korta gammablixtar uppstår. Dessa svårförklarade fenomen bör enligt teoretiker kunna orsakas när neutronstjärnor slås samman.

Svaret kom när astronomer använde en kombination av flera radioteleskop i USA: Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) och Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT). De upptäckte att en fläck av radiostrålning från händelsen hade flyttat på sig över stjärnhimlen, och rörelsen var så snabb att endast en så kallad jetstråle kunde förklara hastigheten.

– Vi mätte upp en synbar rörelse som är fyra gånger snabbare än ljuset. Den här illusionen, som kallas superluminal rörelse, resulterar när strålen är riktad nästan direkt mot jorden och materialet i strålen rör sig nära ljusets hastighet, säger Kunal Mooley vid National Radio Astronomy Observatory (NRAO) och Caltech.
Astronomerna observerade radiokällan 75 dagar efter sammansmältningen, och sedan en gång till 230 dagar efter den.

Adam Deller är astronom vid Swinburne University of Technology.

– Baserat på vår analys är denna stråle troligen mycket smal, högst fem grader bred och pekade bara 20 grader bort från riktningen mot jorden. Men för att stämma överens med våra observationer måste materialet i strålen ha slängts utåt vid 97 procent av ljusets hastighet, säger han.

Nu har forskarna skaffat sig en bild av vad som hände efter sammanslagningen av de två supertäta neutronstjärnorna. Händelsen orsakade en explosion som drev ett runt skal av debris utåt. Materialet i neutronstjärnorna störtade samman och skapade ett nytt svart hål vars kraftfulla gravitation började dra material mot den. Det materialet bildade en snabbsnurrande skiva som i sin tur alstrade två strålar som rörde sig rakt utåt från dess poler.

Vad hände sedan med jetstrålarna? Forskarna frågade sig om de skulle bryta ut skalet av explosionsrester. Mätningarna pekade på att en stråle hade slagit mot det utkastade materialet och bildat en stor och diffus "kokong" av material som expanderade utåt. Jämför med en smal stråle skulle en sådan kokong utvidgas i långsammare takt, tänkte forskarna.

– Vår tolkning är att kokongen står för det mesta av radiostrålningen fram till ungefär 60 dagar efter sammansmältningen, och vid senare tider är det istället jetstrålen som dominerar, säger Ore Gottlieb, astrofysiker vid Tel Avivs universitet och teamets expert inom teorin om strålar.

– Vi hade tur att kunna observera denna händelse. Om strålen hade åt ett annat håll än mot jorden skulle radiosignalerna ha varit för svaga för att vi skulle upptäcka dem, säger Gregg Hallinan vid Caltech.

Upptäckten av en jetstråle som rör sig snabbt i GW170817 stärker starkt sambandet mellan neutronstjärnors sammanslagningar och korta gammablixtar, menar forskarna. Men strålarna behöver riktas i jordens riktning för att en gammablixt ska kunna registreras.

– Än en gång har stora radioteleskop i stora nätverk gett oss nya insikter i hur extrema fenomen som neutronstjärnor och svarta hål hänger samman. Det kan vi göra tack vare teleskopnätverkens förmåga att mäta upp oerhört små förändringar på himlen på väldigt långa avstånd, säger Stephen Bourke. 

För mer information och fler bilder, se pressmeddelanden på engelska hos NRAO och hos Caltech


Bildtext: Efter att två neutronstjärnor smält samman skickades en kraftfull jetstråle ut i rymden. I den här illustrationen – som inte är skalenlig – visas upp jetstrålen oerhörd snabba framfart. Under de 155 dagarna mellan två observationstillfällen ser strålen ut att ha flyttat på sig med två ljusår. För att tillryggalägga ett sådant avstånd skulle kräva en hastighet på fyra gånger ljusets. Denna synbara överljushastighet skapas på grund av att strålen är riktad nästan rakt mot jorden och färdas i över 97 procent av ljusets hastighet.
Bild: D. Berry, O. Gottlieb, K. Mooley, G. Hallinan, NRAO/AUI/NSF

Kontakter

Robert Cumming, kommunikatör, Onsala rymdobservatorium, Chalmers, 031-772 5500, 070-493 31 14, robert.cumming@chalmers.se

Stephen Bourke, astronom och forskningsingenjör vid Onsala rymdobservatorium, Chalmers, 031 772 5516, stephen.bourke@chalmers.se

Mer om forskningen, om teleskopnätverk och om långbasinterferometri 

Forskningsartikeln Superluminal motion of a relativistic jet in the neutron-star merger GW170817 av K. Mooley, m., fl, publicerades i tidskriften ​Nature den 5 september 2018. Bland medförfattarna finns Stephen Bourke, Onsala rymdobservatorium, Institutionen för rymd-, geo- och miljövetenskap.

Onsala rymdobservatorium stödjer flera projekt som studerar GW170817 och liknande fenomen med hjälp av metoden långbasinterferometri. 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.



Publicerad: to 06 sep 2018.