I augusti 2017 inträffade ytterligare ett stort genombrott när Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte vågor som tros orsakas av en neutronstjärnsammanslagning. Strax därefter kunde forskare vid LIGO, Advanced Virgo och Fermi Gamma-ray Space Telescope avgöra var på himlen denna händelse (känd som en kilonova) inträffade.
Denna källa, känd som GW170817 / GRB, har varit målet för många uppföljningsundersökningar eftersom man trodde att sammanslagningen kunde ha lett till bildandet av ett svart hål. Enligt en ny studie från ett team som analyserade data från NASA: s Chandra röntgenobservatorium sedan händelsen, kan forskare nu säga med större förtroende att sammanslagningen skapade ett nytt svart hål i vår galax.
Studien, med titeln “GW170817 Most Likely Made a Black Hole”, dök nyligen in The Astrophysical Journal Letters. Studien leddes av David Pooley, biträdande professor i fysik och astronomi vid Trinity University, San Antonio, och inkluderade medlemmar från University of Texas i Austin, University of California, Berkeley och Nazarbayev University's Energetic Cosmos Laboratory i Kazakstan.
För deras studie analyserade teamet röntgenuppgifter från Chandra tagna under dagarna, veckorna och månaderna efter detektering av gravitationsvågor av LIGO och gammastrålar genom NASA: s Fermi-uppdrag. Medan nästan alla teleskop i världen hade observerat källan, var röntgenuppgifter avgörande för att förstå vad som hände efter att de två neutronstjärnorna kolliderade.
Medan en Chandra-observation två till tre dagar efter händelsen misslyckades med att upptäcka en röntgenkälla, resulterade efterföljande observationer 9, 15 och 16 dagar efter händelsen i upptäckter. Källan försvann under en tid när GW170817 passerade efter solen, men ytterligare observationer gjordes cirka 110 och 160 dagar efter händelsen, som båda visade betydande ljusning.
Medan LIGO-uppgifterna gav astronomer en god uppskattning av det resulterande objektets massa efter att neutronstjärnorna slogs samman (2,7 solmassor) räckte inte detta för att bestämma vad den hade blivit. I huvudsak innebar denna mängd massa att det var antingen den mest massiva neutronstjärnan som någonsin hittats eller det svartmassa hål som någonsin hittats (de tidigare rekordinnehavarna var fyra eller fem solmassor). Som Dave Pooley förklarade i ett pressmeddelande från NASA / Chandra:
”Medan neutronstjärnor och svarta hål är mystiska, har vi studerat många av dem över hela universumet med hjälp av teleskoper som Chandra. Det innebär att vi har både data och teorier om hur vi förväntar oss att sådana föremål uppför sig i röntgenstrålar. ”
Om neutronstjärnorna slogs samman för att bilda en tyngre neutronstjärna, skulle astronomer förvänta sig att den snurrar snabbt och genererar och mycket starkt magnetfält. Detta skulle också ha skapat en expanderad bubbla av högenergipartiklar som skulle resultera i ljusa röntgenutsläpp. Chandra-data avslöjade emellertid röntgenutsläpp som var flera hundra gånger lägre än väntat från en massiv, snabbt snurrande neutronstjärna.
Genom att jämföra Chandra-observationerna med NSF: s Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) kunde Pooley och hans team också dra slutsatsen att röntgenutsläppet helt berodde på chockvågen orsakad av sammanslagningen som krossade i omgivningen gas. Kort sagt fanns det inga tecken på röntgenstrålar som härrörde från en neutronstjärna.
Detta innebär starkt att det resulterande objektet i själva verket var ett svart hål. Om det bekräftas skulle dessa resultat indikera att bildningsprocessen för ett svarthål ibland kan vara komplicerat. I huvudsak skulle GW170817 ha varit resultatet av två stjärnor genomgått en supernovaexplosion som lämnade två neutronstjärnor i en tillräckligt snäv bana att de så småningom sammankom. Som Pawan Kumar förklarade:
”Vi kanske har svarat på en av de mest grundläggande frågorna om denna bländande händelse: vad gjorde det? Astronomer har länge misstänkt att sammanslagningar av neutronstjärnor skulle bilda ett svart hål och ge utbrott av strålning, men vi saknade ett starkt fall för det tills nu. ”
Framöver kan de påståenden som framförts av Pooley och hans kollegor testas med framtida röntgen- och radioobservationer. Nästa generations instrument - som Square Kilometre Array (SKA) som håller på att byggas i Sydafrika och Australien och ESA: s Advanced Telescope for High -ergy Astrophysics (Athena +) - skulle vara särskilt användbara i detta avseende.
Om återstoden trots allt visar sig vara en massiv neutronstjärna med ett starkt magnetfält, borde källan bli mycket ljusare i röntgen- och radiovåglängderna under de kommande åren när högenergibubblan fångar upp den bromsande chocken Vinka. När chockvågen försvagas förväntar sig astronomer att den kommer att fortsätta bli svagare än den var när nyligen observerades.
Hur som helst kommer framtida observationer av GW170817 att ge en mängd information, enligt J. Craig Wheeler, en medförfattare om studien också från University of Texas. "GW170817 är den astronomiska händelsen som fortsätter att ge," sade han. "Vi lär oss så mycket om astrofysiken hos de tätaste kända föremålen från den här händelsen."
Om dessa uppföljningsobservationer upptäcker att en tung neutronstjärna är vad som resulterade av sammanslagningen, skulle denna upptäckt utmana teorier om neutronstjärnornas struktur och hur massiva de kan få. Å andra sidan, om de upptäcker att det bildade ett litet svart hål, kommer det att utmana astronomers uppfattningar om de nedre massgränserna för svarta hål. För astrofysiker är det i grund och botten ett win-win-scenario.
Som medförfattare tilllade Bruce Grossan från University of California i Berkeley:
”I början av min karriär kunde astronomer bara observera neutronstjärnor och svarta hål i vår egen galax, och nu observerar vi dessa exotiska stjärnor över hela kosmos. Vilken spännande tid att leva, att se instrument som LIGO och Chandra som visar oss så många spännande saker som naturen har att erbjuda. ”
Att se längre ut i kosmos och djupare tillbaka i tiden har faktiskt avslöjat mycket om universum som tidigare var okänt. Och med förbättrade instrument som utvecklas för det enda syftet att studera astronomiska fenomen mer i detalj och på ännu större avstånd verkar det inte finnas någon gräns för vad vi kan lära oss. Och se till att kolla in den här videon från GW170817-fusionen, med tillstånd av Chandra röntgenobservatorium:
