Im Jahr 2017 entdeckten LIGO (Laser-Interferometer-Gravitationswellenobservatorium) und Virgo Gravitationswellen, die aus der Fusion zweier Neutronensterne stammen. Sie nannten dieses Signal GW170817. Zwei Sekunden nach seiner Erkennung entdeckte der Fermi-Satellit der NASA einen Gammastrahlen-Burst (GRB) mit dem Namen GRB170817A. Innerhalb weniger Minuten nahmen Teleskope und Observatorien auf der ganzen Welt an der Veranstaltung teil.
Das Hubble-Weltraumteleskop spielte eine Rolle bei dieser historischen Entdeckung der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Ab Dezember 2017 erkannte Hubble das sichtbare Licht dieser Fusion und drehte in den nächsten anderthalb Jahren seinen leistungsstarken Spiegel mehr als zehn Mal an derselben Stelle. Das Ergebnis?
Das tiefste Bild des Nachglühens dieses Ereignisses und eines voller wissenschaftlicher Details.
"Dies ist die tiefste Belichtung, die wir jemals von diesem Ereignis im sichtbaren Licht gemacht haben", sagte Wen-fai Fong aus dem Nordwesten, der die Forschung leitete. "Je tiefer das Bild, desto mehr Informationen können wir erhalten."
Hubble lieferte nicht nur ein tiefes Bild des Nachglühens der Fusion, sondern enthüllte auch einige unerwartete Geheimnisse der Fusion selbst, den von ihr erzeugten Jet und einige Details der Art kurzer Gammastrahlenausbrüche.
Für viele Wissenschaftler ist GW170817 die bislang wichtigste Entdeckung von LIGO. Die Entdeckung wurde 2017 von der Zeitschrift Science mit dem Breakthrough of the Year Award ausgezeichnet. Obwohl viel über Kollisionen oder Fusionen zwischen zwei Neutronensternen gesprochen wurde, war dies das erste Mal, dass Astrophysiker einen beobachten konnten. Da sie es sowohl im elektromagnetischen Licht als auch in Gravitationswellen beobachteten, war es auch die erste „Multi-Messenger-Beobachtung zwischen diesen beiden Strahlungsformen“, wie es in einer Pressemitteilung heißt.
Es ist teilweise ein Umstand, der dies möglich gemacht hat. GW170817 ist astronomisch gesehen ziemlich nahe an der Erde: nur 140 Millionen Lichtjahre entfernt in der elliptischen Galaxie NGC 4993. Es war hell und leicht zu finden.
Die Kollision der beiden Neutronensterne verursachte eine Kilonova. Sie entstehen, wenn zwei Neutronensterne so verschmelzen oder wenn ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch verschmelzen. Eine Kilonova ist etwa 1000-mal heller als eine klassische Nova, die in einem Doppelsternsystem auftritt, wenn ein weißer Zwerg und sein Begleiter verschmelzen. Die extreme Helligkeit einer Kilonova wird durch die schweren Elemente verursacht, die sich nach der Fusion bilden, einschließlich Gold.
Durch die Fusion entstand ein Materialstrahl, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegte und das Nachleuchten schwer zu erkennen machte. Obwohl der Jet, der gegen Surround-Material knallte, die Fusion so hell und leicht zu erkennen machte, verdeckte er auch das Nachleuchten des Ereignisses. Um das Nachleuchten zu sehen, mussten Astrophysiker geduldig sein.
"Damit wir das Nachglühen sehen konnten, musste die Kilonova aus dem Weg gehen", sagte Fong. „Sicherlich war die Kilonova ungefähr 100 Tage nach der Fusion in Vergessenheit geraten, und das Nachglühen übernahm. Das Nachleuchten war jedoch so schwach, dass es den empfindlichsten Teleskopen überlassen wurde, um es einzufangen. “
Hier kam das Hubble-Weltraumteleskop ins Spiel. Im Dezember 2017 sah Hubble das sichtbare Licht des Nachglühens der Fusion. Von da an bis März 2019 besuchte Hubble das Nachglühen noch 10 Mal. Das endgültige Bild war das bisher tiefste, und der ehrwürdige Bereich starrte auf die Stelle, an der die Fusion 7,5 Stunden lang stattfand. Von diesem Bild wussten Astrophysiker, dass das sichtbare Licht 584 Tage nach der Verschmelzung der beiden Neutronensterne endgültig verschwunden war.
Das Nachleuchten des Ereignisses war der Schlüssel und es war schwach. Um es zu sehen und zu studieren, musste das Team hinter der Studie das Licht aus der umgebenden Galaxie, NGC 4993, entfernen. Das galaktische Licht ist kompliziert und würde sozusagen das Nachleuchten „infizieren“ und die Ergebnisse beeinträchtigen .
"Um das Licht des Nachglühens genau zu messen, muss man das gesamte andere Licht wegnehmen", sagte Peter Blanchard, Postdoktorand bei CIERA und zweiter Autor der Studie. "Der größte Schuldige ist die leichte Kontamination durch die Galaxie, deren Struktur äußerst kompliziert ist."
Aber sie hatten jetzt 10 Hubble-Bilder des Nachglühens, mit denen sie arbeiten konnten. In diesen Bildern war die Kilonova verschwunden und nur das Nachglühen blieb übrig. Im letzten Bild war auch das Nachleuchten verschwunden. Sie überlagerten das endgültige Bild mit den anderen 10 Bildern des Nachglühens und entfernten mithilfe eines Algorithmus akribisch das gesamte Licht von den früheren Hubble-Bildern, die das Nachleuchten zeigten. Pixel für Pixel.
Am Ende hatten sie im Laufe der Zeit eine Reihe von Bildern, die nur das Nachleuchten ohne jegliche Kontamination durch die Galaxie zeigten. Das Bild stimmte mit modellierten Vorhersagen überein und es ist auch die genaueste Zeitreihe von Bildern des Nachglühens des Ereignisses.
"Die Helligkeitsentwicklung passt perfekt zu unseren theoretischen Jets-Modellen", sagte Fong. "Es stimmt auch perfekt mit dem überein, was uns das Radio und die Röntgenbilder sagen."
Was haben sie in diesen Bildern gefunden?
Erstens war der Bereich, in dem die Neutronensterne verschmolzen, nicht dicht mit Clustern besiedelt, was in früheren Studien vorhergesagt werden sollte.
"Frühere Studien haben gezeigt, dass sich Neutronensternpaare in der dichten Umgebung eines Kugelhaufens bilden und verschmelzen können", sagte Fong. "Unsere Beobachtungen zeigen, dass dies bei dieser Neutronensternfusion definitiv nicht der Fall ist."
Fong glaubt auch, dass diese Arbeit etwas Licht auf Gammastrahlenausbrüche geworfen hat. Sie glaubt, dass diese fernen Explosionen tatsächlich Neutronensternfusionen wie GW170817 sind. Sie alle produzieren relativistische Jets, laut Fong werden sie nur aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet.
Astrophysiker sehen diese Jets normalerweise aus Gammastrahlen aus einem anderen Winkel als GW170817, normalerweise frontal. GW170817 wurde jedoch aus einem Winkel von 30 Grad gesehen. Das war noch nie in optischem Licht gesehen worden.
"GW170817 ist das erste Mal, dass wir den Jet außerhalb der Achse sehen konnten", sagte Fong. "Die neue Zeitreihe zeigt, dass der Hauptunterschied zwischen GW170817 und entfernten kurzen Gammastrahlenausbrüchen der Betrachtungswinkel ist."
Ein Artikel über diese Ergebnisse wird diesen Monat in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Es trägt den Titel "Das optische Nachleuchten von GW170817: Ein außeraxialer strukturierter Strahl und tiefe Einschränkungen für den Ursprung eines Kugelsternhaufens." Es kann unter dem obigen Link auf arxiv.org angezeigt werden.
Mehr:
- Forschungsbericht: Das optische Nachleuchten von GW170817: Ein außeraxialer strukturierter Jet und tiefe Einschränkungen auf einem Kugelsternhaufenursprung
- Pressemitteilung: Afterglow beleuchtet die Natur und den Ursprung von Neutronensternkollisionen
- LIGO / Jungfrau: DIE MORGEN DER MULTI-MESSENGER-ASTROPHYSIK: BEMERKUNGEN EINER BINÄREN NEUTRON-STERN-FUSION
