Mysteriöse Röntgenstrahlen könnten Kilonova-Nachglühen von Neutronensternverschmelzungen im Jahr 2017 sein

Im Jahr 2017 entdeckten Astronomen ein Phänomen, das als bekannt istKilonova„: Eine Verschmelzung zweier Neutronensterne, begleitet von starken Ausbrüchen von Gammastrahlen. Dreieinhalb Jahre später haben Astrophysiker einen mysteriösen Röntgenstrahl entdeckt, von dem sie glauben, dass er der erste Nachweis des ‚Nach-Kilonova-Glühens‘ sein könnte“, heißt es Zu einer neuen Forschungsarbeit veröffentlicht Astrophysiker könnten die erste Beobachtung von Materie sein, die in das Schwarze Loch fällt, das sich nach der Verschmelzung gebildet hat.

als informiere uns Vorher, Entdecken Sie LIGO durch Gravitationswellen Laserinterferometrie. Bei dieser Methode werden mit Hochleistungslasern kleine Abstandsänderungen zwischen zwei kilometerweit entfernten Objekten gemessen. (LIGO verfügt über Detektoren in Hanford, Washington, und in Livingston, Louisiana. Ein dritter Detektor in Italien, bekannt als Advanced VIRGO, wurde 2016 in Betrieb genommen.) Mit drei Detektoren können Wissenschaftler genau bestimmen, woher das Zwitschern des Nachthimmels kommt.

Entdecken Sie neben sieben Verschmelzungen zweier Schwarzer Löcher den zweiten Lauf von LIGO vom 30. November 2016 bis zum 25. August 2017. Binäre Fusion zwischen Neutronensternen mit einmal Gammastrahlenausbruch und Signale im Rest des elektromagnetischen Spektrums. Das Ereignis ist jetzt als GW170817 bekannt. Zu diesen Signalen gehörten verräterische Anzeichen schwerer Elemente – insbesondere Gold, Platin und Uran – die durch die Kollision entstanden sind. Die meisten leichteren Elemente werden in den erstickenden Explosionen massereicher Sterne gebildet, die als Supernovae bekannt sind, aber Astronomen haben lange angenommen, dass schwerere Elemente aus der Kilonova stammen könnten, die entsteht, wenn zwei Neutronensterne kollidieren.

Kilonovas Entdeckung im Jahr 2017 lieferte den Beweis, dass diese Astronomen Recht hatten. Die Aufzeichnung eines solchen himmlischen Ereignisses war beispiellos und markierte offiziell den Beginn einer neuen Ära in der sogenannten „Astronomie-Mehrfachnachricht. „

Seitdem suchen Astronomen nach einer passenden optischen Signatur, wenn LIGO/VIRGO ein Gravitationswellensignal von Neutronensternverschmelzungen oder potenziellen Verschmelzungen zwischen Neutronensternen und einem Schwarzen Loch aufnimmt. Die Annahme war, dass Schwarze Löcher und Verschmelzungen von Schwarzen Löchern keine optische Signatur erzeugen würden, also machte es keinen Sinn, nach einer zu suchen – bis 2020. Dann fanden Astronomen erste Anleitung für ein solches Phänomen. Astronomen machten die Entdeckung, indem sie Gravitationswellendaten mit Daten kombinierten, die während einer automatisierten Himmelsdurchmusterung gesammelt wurden.

Aber Kilonova 2017 bleibt einzigartig, so Abrajita Hajela, Hauptautorin des neuen Papiers und Doktorandin an der Northwestern University. Hajela Ruft Kilonova an „Die einzige Veranstaltung ihrer Art“ und „eine Schatzkiste mit mehreren ersten Beobachtungen auf unserem Gebiet“. Zusammen mit anderen Astronomen von Northwestern und der University of California, Berkeley, hat es die Entwicklung von GW170817 seit seiner ersten Entdeckung durch LIGO/Virgo mit weltraumgestützten Raumfahrzeugen überwacht. Chandra-Röntgenobservatorium.

Chandra entdeckte erstmals Röntgen- und Radioemissionen von GW170817 zwei Wochen nach der Fusion, die 900 Tage dauerte. Aber diese anfänglichen Röntgenstrahlen, die von einem Jet aus einer fast lichtschnellen Fusion angetrieben wurden, begannen Anfang 2018 zu verblassen. Von März 2020 bis Ende dieses Jahres hörten der starke Rückgang der Helligkeit und die Röntgenemission jedoch auf konstant wurde, etwas in Bezug auf die Helligkeit.

Um das Rätsel zu lösen, sammelten Hajela und ihr Team im Dezember 2020, 3,5 Jahre nach der Fusion, zusätzliche Beobachtungsdaten sowohl mit Chandra als auch mit Very Large Array (VLA). Es war Hajela, die um 4 Uhr morgens aufwachte, als sie eine überraschend starke und helle Röntgenstrahlung bemerkte – viermal höher als zu diesem Zeitpunkt zu erwarten wäre, wenn die Emissionen nur vom Jet angetrieben würden. (Das VLA hat keine Funkemissionen festgestellt.) Diese neuen Emissionen blieben 700 Tage lang auf einem konstanten Niveau.

Das bedeutet, dass eine ganz andere Quelle von Röntgenstrahlen die Energiequelle für sie sein muss. Eine mögliche Erklärung ist, dass die expandierenden Trümmer der Fusion eine Schockwelle, ähnlich einem Überschallknall, sowie Jets erzeugten. In diesem Fall können die verschmelzenden Neutronensterne nicht sofort zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Stattdessen drehen sich die Sterne für eine Sekunde schnell. Diese schnelle Drehung hätte dem Gravitationskollaps kurz genug entgegengewirkt, um einen schnellen Schweif von Kilonovas schweren Projektilen zu erzeugen, die der Anstoß für die Schockwelle waren. Als diese schweren Projektile im Laufe der Zeit langsamer wurden, wurde ihre kinetische Energie durch die Stöße in Wärme umgewandelt.

„Du wirst hineinfallen. Fertig.“

„Wenn die verschmelzenden Neutronensterne ohne Zwischenphase direkt in ein Schwarzes Loch kollabieren würden, wäre es sehr schwierig, die überschüssigen Röntgenstrahlen zu erklären, die wir jetzt sehen, weil es keine feste Oberfläche gäbe, auf der die Dinge in großer Höhe zurückprallen könnten Geschwindigkeiten, um diese Polarlichter zu erzeugen.“ Co-Autorin Raffaella Margutti sagte von der University of California in Berkeley. „Du wirst hineinfallen. Fertig. Der wahre Grund, warum ich wissenschaftlich so aufgeregt bin, ist, dass wir vielleicht etwas mehr vom Flugzeug aus sehen. Wir könnten endlich Informationen über das neue kompakte Objekt bekommen.“

Brian Metzger von der Columbia University schlug ein alternatives Szenario vor: Die Röntgenemission könnte durch Material ausgelöst werden, das in den während der Fusion gebildeten Backslit fällt. Dies ist auch eine wissenschaftliche Premiere, sagte Hagel, da diese Art von Langzeitaufbau noch nie zuvor beobachtet wurde.

Von nun an sind weitere Beobachtungen geplant, und diese Daten werden zur Lösung des Problems beitragen. Wenn sich Röntgen- und Radioemissionen in den nächsten Monaten oder Jahren aufhellen, wird dies das Kilonova-Aurora-Szenario bestätigen. Wenn die Röntgenemissionen stark zurückgingen oder konstant blieben, ohne begleitende Radioemissionen, würde dies das Szenario des wachsenden Schwarzen Lochs bestätigen.

Ungeachtet dessen „wird dies das erste Mal sein, dass wir Kilonova-Auroren sehen oder das erste Mal, dass wir Materie nach einer Neutronensternverschmelzung in ein Schwarzes Loch fallen sehen.“ Co-Autor Joe Bright sagte:Postdoc an der University of California, Berkeley. „Keines der Ergebnisse wäre sehr aufregend.“

DOI: The Astrophysical Journal Letters, 2022. 10.48550 / arXiv.2104.02070 (Über DOIs).