Under 2017 upptäckte LIGO (Laser-Interferometer Gravitational Wave Observatory) och Virgo gravitationsvågor som kommer från sammanslagningen av två neutronstjärnor. De namngav den signalen GW170817. Två sekunder efter att den upptäckt den upptäckte NASA: s Fermi-satellit en gammastrålningsbrist (GRB) med namnet GRB170817A. Inom några minuter fästes teleskop och observatorier runt om i världen på evenemanget.
Hubble Space Telescope spelade en roll i denna historiska upptäckt av två neutronstjärnor som smälter samman. Från och med december 2017 upptäckte Hubble det synliga ljuset från denna sammanslagning, och under ett och ett halvt nästa år vände den sin kraftfulla spegel på samma plats över tio gånger. Resultatet?
Den djupaste bilden av efterglödningen av denna händelse och en chock full av vetenskaplig detalj.
"Detta är den djupaste exponeringen vi någonsin har tagit för denna händelse i synligt ljus," sa Northwesterns Wen-fai Fong, som ledde forskningen. "Ju djupare bilden, desto mer information kan vi få."
Bortsett från att ge en djup bild av fusionens efterglöd, avslöjade Hubble också några oväntade hemligheter om själva sammanslagningen, den jet som den skapade, och även en detalj om arten av korta gammastrålar.
För många forskare är GW170817 LIGOs viktigaste upptäckt hittills. Upptäckten vann Breakthrough of the Year Award 2017 från tidskriften Science. Även om kollisioner eller sammanslagningar mellan två neutronstjärnor talades mycket om, var det första gången astrofysiker kunde observera en. Eftersom de också observerade den i både elektromagnetiskt ljus och i gravitationella vågor, var det också den första "multi-messenger observation mellan dessa två strålningsformer", som det står i ett pressmeddelande.
Det är delvis omständigheten som fick detta att hända. GW170817 är astronomiskt sett ganska nära jorden: bara 140 miljoner ljusår bort i den elliptiska galaxen NGC 4993. Det var ljust och lätt att hitta.
Kollisionen mellan de två neutronstjärnorna orsakade en kilonova. De orsakas när två neutronstjärnor smälter samman så här, eller när en neutronstjärna och ett svart hål smälter samman. En kilonova är ungefär 1000 gånger ljusare än en klassisk nova, som förekommer i ett binärstjärnsystem när en vit dvärg och dess följeslagare smälter samman. En kilonovas extrema ljusstyrka orsakas av de tunga elementen som bildas efter sammanslagningen, inklusive guld.
Fusionen skapade en stråle av material som färdades i nära ljushastighet som gjorde svågen svår att se. Även om jet som smälter in i surroundmaterial är det som gjorde sammanslagningen så ljus och lätt att se, döljde den också efterglödningen av händelsen. För att se efterglödet måste astrofysiker vara tålamod.
"För att vi skulle kunna se efterglödet måste kilonova flytta ur vägen," sa Fong. ”Visst nog, cirka 100 dagar efter sammanslagningen, hade kilonova bleknat i glömska och efterglödet tog över. Efterglödningen var dock så svag och lämnade den till de mest känsliga teleskopen för att fånga den. ”
Det var där Hubble-rymdteleskopet kom in. I december 2017 såg Hubble det synliga ljuset från fusionens efterglöd. Från dess till mars 2019 besökte Hubble efterglödan ytterligare 10 gånger. Den sista bilden var den djupaste än, med det värdefulla utrymmet 'omfattning som stirrade på den plats där fusionen inträffade i 7,5 timmar. Från denna bild visste astrofysiker att det synliga ljuset slutligen var borta, 584 dagar efter att de två neutronstjärnorna slogs samman.
Efterglödningen av händelsen var nyckeln och den var svag. För att se det och studera det, teamet bakom studien var tvungen att ta bort ljuset från den omgivande galaxen, NGC 4993. Det galaktiska ljuset är komplicerat och på ett sätt att säga det skulle "smitta" efterglödet och försämra resultaten .
"För att mäta ljuset från efterglödet exakt måste du ta bort allt annat ljus," sade Peter Blanchard, en postdoktor i CIERA och studiens andra författare. "Den största syndaren är lätt förorening från galaxen, som är extremt komplicerad i strukturen."
Men de hade nu 10 Hubble-bilder av efterglödet att arbeta med. På dessa bilder var kilonova borta och bara efterglödan återstod. I den slutliga bilden var efterglödet också borta. De överlagde den slutliga bilden på de andra 10 bilderna av efterglödet, och med en algoritm tog de noggrant bort allt ljus från de tidigare Hubble-bilderna som visar efterglödet. Pixel för pixel.
I slutändan hade de en serie bilder över tiden och visade bara efterglödet utan någon förorening från galaxen. Bilden överensstämde med modellerade förutsägelser, och det är också den mest exakta tidsserien med bilder av händelsens efterglöd.
"Ljusstyrkautvecklingen matchar perfekt våra teoretiska modeller av jetflygplan," sade Fong. "Det stämmer också perfekt med vad radio och röntgen berättar för oss."
Så vad hittade de i dessa bilder?
Först och främst var området där neutronstjärnorna slogs samman inte tätbefolkat med kluster, något som tidigare studier förutspådde borde vara fallet.
"Tidigare studier har föreslagit att neutronstjärnpar kan bildas och smälta samman i den täta miljön i ett globulärt kluster," sade Fong. "Våra observationer visar att det definitivt inte är fallet för denna neutronstjärnfusion."
Fong tror också att detta arbete har kastat lite ljus på gammastrålar. Hon tror att de avlägsna explosionerna faktiskt är neutronstjärnas sammanslagningar som GW170817. De producerar alla relativistiska jetplan, enligt Fong är det bara att de ses från olika vinklar.
Astrofysiker ser vanligtvis dessa jetstrålar från gammastrålningsbrott från en annan vinkel än GW170817, vanligtvis huvudet på. Men GW170817 sågs från en 30 graders vinkel. Det hade aldrig tidigare setts i optiskt ljus.
"GW170817 är första gången vi har kunnat se jet" utanför axeln ", sade Fong. "Den nya tidsserien indikerar att huvudskillnaden mellan GW170817 och avlägsna korta gammastrålebrister är betraktningsvinkeln."
Ett dokument som beskriver dessa resultat kommer att publiceras i Astrophysical Journal Letters denna månad. Det heter "Den optiska efterglödningen av GW170817: En off-axel strukturerad jet och djupa begränsningar på ett globalt kluster ursprung." Det kan ses på länken ovan på arxiv.org.
Mer:
- Forskningsdokument: Den optiska efterglödningen av GW170817: En off-axel strukturerad jet och djupa begränsningar på ett globalt kluster ursprung
- Pressmeddelande: Efterglödet belyser naturen, ursprunget för neutronstjärnkollisioner
- LIGO / Jungfrun: DAGEN AV MULTI-MESSENGER ASTROFYSIK: OBSERVATIONER AV EN BINÄR NEUTRON STAR-Fusion
