Hoppa till innehåll

Nr 110 2017

ESO-hemlisen nu inte hemlig längre:

Här kommer guld och platina ifrån

ESO:s många teleskop i Chile har registrerat det första synliga ljuset från en källa för gravitationsvågor. De historiska observationerna tyder på att den unika ljuskällan skapats av två neutronstjärnor som slagits samman. Tack vare de kataklysmiska efterdyningar till sådana sammanslagningar sprids tunga grundämnen som guld och platina genom universum, tror forskare. Upptäckten av denna länge förutspådda fenomen, en så kallad kilonova, ger också det starkaste beviset hittills att korta gammablixtar skapas när neutronstjärnor går samman. Rönen publiceras i flera forskningsartiklar i bland annat i tidskriften Nature.

Artist's impression of a kilonova explosion

Två neutronstjärnor som smälter samman orsakar en våldsam explosion som kallas en kilonova. Explosionen väntas kasta ut tunga grundämnen i rymden. I den här bilden visas några av dessa grundämnen tillsammans med sina atomnummer – guld (79), platina (78), selen (34), rutenium (44), teknetium (52), barium (56), neodym (60) och erbium (68). Bildkälla:ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

För första gången har astronomer observerat både gravitationsvågor och ljus – elektromagnetisk strålning – från samma händelse i rymden. Upptäckten har kunnat göras tack vare en global och snabbfotad samarbetsinsats vid ESO:s forskningsanläggningar och många andra världen runt.

Den 17 augusti 2017 registrerades gravitationsvågor som passerade jorden av NSF:s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA och Virgo-interferometern i Italien. Händelsen, bara den femte som någonsin upptäckts, fick beteckningen GW170817. Cirka två sekunder senare upptäcktes en kortvarig gammablixt från samma område på himlen av två rymdteleskop, NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope och ESA:s INTEGRAL (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory).

Composite of images of NGC 4993 and kilonova from many ESO instr

 

I den här bilden kombineras bilder av galaxen NGC 4993 tagna med instrument vid flera olika ESO-teleskop. Alla visar upp en ljussvag källa nära galaxens mitt. Detta är en kilonova, explosionen som uppstår när två neutronstjärnor smälter samman. Händelsen gav upphov till båge gravitationsvågor, som registrerades av LIGO-Virgo, och gammastrålning som detekterades av rymdteleskopen Fermioch INTEGRAL Bildkälla: VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM

Observatorienätverket LIGO-Virgo kunde lokalisera källan till ett större område av den södra himlen. Med en storlek som motsvarar flera hundra fullmånar innehåller området miljontals stjärnor [1]. Vid mörkrets inbrott började många teleskop i Chile rikta sig mot denna del av himlen för att söka efter nya källor. Bland teleskopen fanns ESO:s kartläggningsteleskop VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) och VST (VLT Survey Telescope) vid Paranalobservatoriet, det italienska teleskopet Rapid Eye Mount (REM) vid ESO:s La Sillaobservatorium, Las Cumbres-observatoriets 0.4-meterteleskop och det amerikanska DECcam vid Cerro Tololo Inter-American Observatory. Först med att meddela upptäckten av en ny ljuspunkt blev enmetersteleskopet Swope 1. Den nya källan lyste upp intill galaxen NGC 4993, en linsformad galax i stjärnbilden Vattenormen. Nästan samtidigt kunde observationer i infrarött ljus med VISTA fastslå samma position. Allt eftersom jorden snurrade och natten fortsatte österut kunde sedan teleskopen Pan-STARRS och Subaru i Hawaii ta över och såg hur den nya ljuspunkten snabbt utvecklades.

Elena Pian, astronom vid INAF i Italien, är förstaförfattare till en av forskningsartiklarna som publicerats i tidskriften Nature.

– Det finns sällsynta tillfällen när en forskare har chansen att bevittna en ny tid från sin början. Detta är ett sådant tillfälle! säger hon.

Den snabba observationskampanjen som ESO drog igång blev en av de största i sitt slag i organisationens historia. Under veckan efter upptäckten tillkom många teleskop tillhörande ESO och dess partners som observerade den nya källan [2]. ESO:s Very Large Telescope (VLT), New Technology Telescope (NTT), VST, MPG/ESO:s 2.2-meterteleskop, och ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) [3] studerade alla händelsen och dess efterdyningar över ett brett spektrum av våglängder. Omkring 70 andra observatorier runt om i världen observerade händelsen, och det gjorde även NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble.

Samstämmiga uppskattningar utifrån både gravitationsvågorna och andra observationer placerar källan GW170817 på samma avstånd som galaxen NGC 4993, som ligger cirka 130 miljoner ljusår från jorden. Därmed är den både den närmaste gravitationsvågskällan som hittills upptäckts och även en av de närmaste gammablixtarna som skådats [4].

De krusningar i rumtiden som kallas gravitationsvågor skapas av massor i rörelse. Idag kan bara de allra mest intensiva gravitationsvågorna upptäckas: sådana som alstras av snabba hastighetsförändringar hos väldigt massiva objekt. Ett exempel är när två neutronstjärnor, de extremt tätpackade, kollapsade kärnorna från massiva stjärnor som lämnats efter en supernova [5], slås samman. Sådana sammanslagningar har hittills varit den ledande hypotesen för att förklara kortvariga gammablixtar. De väntas också följas av ljusstarka explosioner. En sådan explosion väntas lysa tusen gånger starkare ljusare än en typisk nova och kallas därför kilonova.

Denna bild från instrumentet MUSE på ESO:s Very Large Telescope vid Paranalobservatoriet i Chile visar galaxen NGC 4993, som ligger cirka 130 miljoner ljusår från jorden. Själva galaxen är inte ovanlig, men den innehåller något som aldrig tidigare skådats: ljus från explosionen som sker när två neutronstjärnor smälter samman. Ljuset från denna sällsynta händelse, en så kallad kilonova, syns som pricken strax ovan och lite till vänster om galaxens mitt. I sammanslagningen alstrades även gravitationsvågor och gammastrålning, som detekterades av LIGO-Virgo respektive Fermi/INTEGRAL. Instrumentet MUSE registrerar ett spektrum för varje punkt i galaxen; tack vare detta framträder utöver kilonovan också en lysande röd och oväntad spiral av gas i galaxen. Bildkälla:

ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir

De nästan samtidiga observationerna av både gravitationsvågor och gammastrålning från GW170817 ingav hopp om att detta objekt verkligen var en länge eftersökt kilonova. Nu har observationer med ESO-instrument också avslöjat att dess egenskaper är anmärkningsvärt lika vad forskarnas teorier hade förutspått. Detta skulle kunna vara den första bekräftade observationen sedan idén om kilonovor föreslogs för mer än 30 år sedan.

Efter att de två neutronstjärnorna slagits samman kastades tunga, radioaktiva grundämnen ut från explosionen med hastigheter på upp till en femtedel av ljusets hastighet. Kilonovans färg skiftade från väldigt blå till väldigt röd under de kommande dagarna. Förändringen var snabbare än vad forskarna sett i någon annan stjärnexplosion.

Stephen Smartt ledde observationerna med ESO:s NTT som en del av det utvidgade observationsprogrammet Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects (ePESSTO).

– När spektrumet dök upp på våra skärmar insåg jag att detta var den mest ovanliga tillfälliga källa som jag någonsin skådat. Jag hade aldrig sett något liknande. Våra mätningar, tillsammans med data från andra forskargrupper, har visat för alla att detta var inte en supernova eller en föränderlig stjärna i förgrunden, utan något alldeles speciellt, berättar han.

Spektrum från både ePESSTO-projektet och VLT:s instrument X-shooter tyder på att i materialet som kastades ut från de sammansmältande neutronstjärnorna finns både cesium och tellurium. Dessa och andra tyngre grundämnen tros tillverkas när neutronstjärnorna slås samman, men kastas ut i rymden i den efterföljande kilonova-explosionen. Observationerna pekar på att grundämnen tyngre än järn kan snabbt bildas med en särskild sorts kärnreaktioner – nukleosyntes genom r-processen – i de allra mest tätpackade stjärnorna och liknande objekt. Processen har tidigare endast varit ett ämne för teoretiker.

Stefano Covino är förstaförfattare till en av två forskningsartiklar som publiceras i Nature Astronomy.

– De mätningarna vi har hittills är en otroligt nära matchning till teorin. Det är en triumf för teoretiker, en bekräftelse att vad LIGO-VIRGO skådat är verkligt, och en prestation för ESO att ha samlat in sådana häpnadsväckande mätdata från kilonovan, säger han.

Andrew Levan är förstaförfattare till en av artiklarna.

– ESO:s stora styrka är att det har ett brett utbud av teleskop och instrument som kan ta sig an stora och komplexa astronomiprojekt, och det också med kort varsel. Vi har gått in i en ny tid av multibärarastronomi.

Lämna ett svar