Obserwacje radiowe wskazują na prawdopodobne wyjaśnienie zjawiska łączenia się gwiazd neutronowych

Trzy miesiące obserwacji w oparciu o National Science Foundation’s Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) pozwoliły astronomom na wyodrębnienie najbardziej prawdopodobnego wyjaśnienia tego, co stało się po gwałtownej kolizji dwóch gwiazd neutronowych w galaktyce oddalonej od nas o 130 miliony lat świetlnych. To, czego się nauczyli oznacza, że będą mogli zobaczyć i zbadać więcej takich kolizji.

17 sierpnia 2017 roku obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO połączyły się, aby zbadać słabe zmarszczki czasoprzestrzeni spowodowane połączeniem się dwóch supergęstych gwiazd neutronowych. Było to pierwsze potwierdzone wykrycie takiej fuzji i zaledwie piąta bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych, przewidziana przeszło sto lat temu przez Alberta Einsteina.

Oprócz fal grawitacyjnych zaobserwowano wybuch promieniowania gamma, promieniowania rentgenowskiego oraz światła widzialnego. 2 września VLA wykrył pierwsze fale radiowe pochodzące z tego zdarzenia. Był to pierwszy przypadek zaobserwowania jakiegokolwiek obiektu astronomicznego emitującego zarówno fale grawitacyjne jak i elektromagnetyczne.

Czas i siła promieniowania elektromagnetycznego o różnej długości fali dały naukowcom wskazówki na temat natury zjawisk powstałych w wyniku zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Przed sierpniowym wydarzeniem teoretycy przedstawili kilka teorii dotyczących tych zjawisk. Teraz stało się ono dobrą okazją do porównania przewidywań modeli z faktycznymi obserwacjami.

Astronomowie korzystający z VLA wraz z Australia Telescope Compact Array oraz Giant Metrewave Radio Telescope w Indiach, regularnie od września obserwowali obiekt. Teleskopy radiowe pokazały, że emisja radiowa stale zyskuje na sile. Na tej podstawie badacze zidentyfikowali najbardziej prawdopodobne scenariusze dla następstw tego zderzenia. 

„Stopniowe rozjaśnianie sygnału radiowego wskazuje, że widzimy szerokokątny wypływ materii, poruszający się z prędkością porównywalną do prędkości światła, pochodzący z połączenia się gwiazd neutronowych” – powiedział Kunal Mooley, doktorant prowadzony przez Caltech, obecnie z National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Obserwowane pomiary pomagają astronomom w ustaleniu kolejności zdarzeń wywołanych kolizją gwiazd neutronowych.

Początkowe połączenie dwóch supergęstych obiektów wywołało eksplozję, zwaną kilonowa, która wypchnęła kulistą powłokę śmierci na zewnątrz. Gwiazdy neutronowe zapadły się w pozostałość, prawdopodobnie w czarną dziurę, której potężna grawitacja zaczęła przyciągać do siebie materię. Materia ta tworzy szybko wirujący dysk, który wytwarza parę wąskich, superszybkich strumieni materii wypływających na zewnątrz z jego biegunów. Gdyby jeden z dżetów był skierowany w stronę Ziemi, widzielibyśmy krótkotrwały rozbłysk gamma. Ale tak nie było.

Niektóre z pomiarów sierpniowego zdarzenia sugerowały zamiast tego, że jeden z dżetów mógł być nieco  z dala od Ziemi. Model ten tłumaczyłby fakt, że promieniowanie radiowe i rentgenowskie były widoczne dopiero po pewnym czasie od zaistnienia kolizji.

„Ten prosty model – dżetu bez struktury – pozwoliłby, aby emisja promieniowania radiowego i rentgenowskiego powoli stawała się coraz słabsza. Kiedy obserwowaliśmy wzmocnienie emisji radiowej, zdaliśmy sobie sprawę, że wyjaśnienie wymaga innego modelu” – powiedziała Alessandra Corsi z Texas Tech University.

Astronomowie spojrzeli na model opublikowany w październiku przez Mansi Kasliwal z Caltech i jego kolegów, który następnie został opracowany przez Ore Gottlieb z Tel Aviv University i jego kolegów. W modelu tym dżet nie wychodzi z kuli pozostałości po eksplozji. Zamiast tego gromadzi otaczającą materię, gdy porusza się na zewnątrz, tworząc szeroki „kokon”, który pochłania energię dżetu.

Astronomowie popierali ten scenariusz bazując na informacjach zebranych podczas korzystania z radioteleskopów. Wkrótce po wstępnych obserwacjach miejsca połączenia, coroczna podróż Ziemi wokół Słońca umieściła obiekt zbyt blisko Słońca na niebie, aby móc go obserwować przez teleskopy rentgenowskie i optyczne. Od tygodni teleskopy radiowe były jedynym sposobem na dalsze gromadzenie danych dotyczących tego wydarzenia.

Mooley i jego koledzy opublikowali pracę ze swoimi pomiarami radiowymi, ich ulubionym scenariuszem tego wydarzenia oraz tę prognozę, 30 listopada. Chandra miała obserwować obiekt 2 i 6 grudnia. „7 grudnia pojawiły się wyniki z Chandra a emisja promieniowania X rozjaśniła się tak, jak przewidzieliśmy” – powiedział Gregg Hallinan z Caltech.

„Zgodność pomiędzy danymi radiowymi i rentgenowskimi sugeruje, że promieniowanie X pochodzi z tego samego wypływu, który wytwarza fale radiowe” – powiedział Mooley.

„Było to bardzo ekscytujące, gdy nasza prognoza została potwierdzona. Ważną implikacją modelu kokonu jest to, że powinniśmy być w stanie dostrzec znacznie więcej tych kolizji poprzez wykrywanie ich fal elektromagnetycznych a nie tylko grawitacyjnych” – powiedział Hallinan.   

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Radio Observations Point to Likely Explanation for Neutron-Star Merger Phenomena

Źródło: NRAO

Na zdjęciu: Różne scenariusze następstw zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Po lewej (scenariusz z krótkimi rozbłyskami gamma) strumień materii poruszający się  z prędkością prawie równą prędkości światła jest wypychany z miejsca zderzenia do sfery materii początkowo wydmuchiwanej przez powstały wybuch. Gdy patrzymy pod kątem od środka dżetu, długotrwała emisja promieniowania rentgenowskiego i fal radiowych słabnie. Po prawej, dżet nie może wydostać się ze skorupy pozostałości gruzu, ale zamiast tego zmiata materię w szeroki „kokon”, który pochłania energię strumienia i emituje promieniowanie X oraz fale radiowe pod szerszym kątem. W tym przypadku emisja wciąż rośnie intensywnie, tak jak obecnie obserwują teleskopy radiowe i rentgenowskie. Źródło: NRAO/AUI/NSF: D. Berry