In 2017 ontdekten LIGO (Laser-Interferometer Gravitational Wave Observatory) en Virgo zwaartekrachtsgolven afkomstig van de samenvoeging van twee neutronensterren. Ze noemden dat signaal GW170817. Twee seconden na de detectie ontdekte de Fermi-satelliet van NASA een gammastraaluitbarsting (GRB) met de naam GRB170817A. Binnen enkele minuten kwamen telescopen en observatoria over de hele wereld op het evenement af.
De Hubble-ruimtetelescoop speelde een rol bij deze historische detectie van het samensmelten van twee neutronensterren. Vanaf december 2017 detecteerde Hubble het zichtbare licht van deze fusie en in het volgende anderhalf jaar draaide het zijn krachtige spiegel meer dan 10 keer op dezelfde locatie. Het resultaat?
Het diepste beeld van de nagloeiing van dit evenement, en boordevol wetenschappelijke details.
"Dit is de diepste blootstelling die we ooit hebben gehad aan deze gebeurtenis in zichtbaar licht", zei Wen-fai Fong van Northwestern, die het onderzoek leidde. 'Hoe dieper het beeld, hoe meer informatie we kunnen krijgen.'
Behalve een diep beeld te geven van de nagloeiing van de fusie, onthulde Hubble ook enkele onverwachte geheimen van de fusie zelf, de jet die het veroorzaakte en ook enkele details van de aard van korte gammastraaluitbarstingen.
Voor veel wetenschappers is GW170817 tot nu toe de belangrijkste ontdekking van LIGO. De ontdekking won de Breakthrough of the Year Award in 2017 van het tijdschrift Science. Hoewel botsingen of fusies tussen twee neutronensterren veel werden besproken, was dit de eerste keer dat astrofysici er een konden waarnemen. Omdat ze het ook in zowel elektromagnetisch licht als in zwaartekrachtsgolven waarnamen, was het ook de eerste 'multi-messenger-waarneming tussen deze twee vormen van straling', zoals het in een persbericht staat.
Dit is deels veroorzaakt door de omstandigheden. GW170817 ligt in astronomische termen vrij dicht bij de aarde: slechts 140 miljoen lichtjaar verwijderd van het elliptische sterrenstelsel NGC 4993. Het was helder en gemakkelijk te vinden.
De botsing van de twee neutronensterren veroorzaakte een kilonova. Ze worden veroorzaakt wanneer twee neutronensterren op deze manier samensmelten, of wanneer een neutronenster en een zwart gat samenvloeien. Een kilonova is ongeveer 1000 keer helderder dan een klassieke nova, die voorkomt in een dubbelstersysteem wanneer een witte dwerg en zijn metgezel samensmelten. De extreme helderheid van een kilonova wordt veroorzaakt door de zware elementen die na de fusie ontstaan, waaronder goud.
Door de fusie ontstond een materiaalstraal die met bijna lichte snelheid reed, waardoor de nagloei moeilijk te zien was. Hoewel de straal tegen omgevingsmateriaal sloeg, was de fusie zo helder en gemakkelijk te zien, maar het verdoezelde ook de nagloeiing van het evenement. Om de nagloed te zien, moesten astrofysici geduld hebben.
'Om de nagloeiing te zien, moest de kilonova uit de weg gaan', zei Fong. 'Zeker, ongeveer 100 dagen na de fusie was de kilonova in de vergetelheid geraakt en nam de nagloed het over. De nagloed was echter zo zwak dat het werd overgelaten aan de meest gevoelige telescopen om het vast te leggen. '
Dat is waar de Hubble-ruimtetelescoop binnenkwam. In december 2017 zag Hubble het zichtbare licht van de nagloeiing van de fusie. Van toen tot maart 2019 bezocht Hubble de nagloed nog 10 keer. Het uiteindelijke beeld was het diepste tot nu toe, met de eerbiedwaardige ruimte 'scope die 7,5 uur lang naar de plek staarde waar de fusie plaatsvond. Van dit beeld wisten astrofysici dat het zichtbare licht eindelijk weg was, 584 dagen nadat de twee neutronensterren waren samengevoegd.
De nagloeiing van het evenement was de sleutel en het was zwak. Om het te zien en te bestuderen, moest het team achter de studie het licht uit het omringende sterrenstelsel NGC 4993 verwijderen. Het galactische licht is ingewikkeld en zou bij wijze van spreken de nagloeiing 'infecteren' en de resultaten nadelig beïnvloeden .
"Om het licht van de nagloei nauwkeurig te meten, moet je al het andere licht wegnemen", zegt Peter Blanchard, een postdoctoraal onderzoeker bij CIERA en de tweede auteur van de studie. "De grootste boosdoener is lichtvervuiling door de melkweg, die extreem ingewikkeld van structuur is."
Maar ze hadden nu 10 Hubble-afbeeldingen van de nagloed om mee te werken. Op deze afbeeldingen was de kilonova verdwenen en bleef alleen de nagloeiing over. In de uiteindelijke afbeelding was ook de nagloed verdwenen. Ze legden de uiteindelijke afbeelding op de andere 10 afbeeldingen van de nagloeiing en met behulp van een algoritme verwijderden ze zorgvuldig al het licht van de eerdere Hubble-afbeeldingen met nagloed. Pixel voor pixel.
Uiteindelijk hadden ze in de loop van de tijd één reeks afbeeldingen, die alleen de nagloeiing vertoonden zonder enige besmetting van de melkweg. De afbeelding kwam overeen met gemodelleerde voorspellingen en het is ook de meest nauwkeurige tijdserie van afbeeldingen van de nagloeiing van de gebeurtenis.
'De evolutie van de helderheid komt perfect overeen met onze theoretische modellen van jets', zei Fong. "Het komt ook perfect overeen met wat de radio en röntgenstraling ons vertellen."
Dus wat vonden ze in deze afbeeldingen?
Allereerst was het gebied waar de neutronensterren samenvloeiden niet dichtbevolkt met clusters, iets wat eerdere studies voorspelden, zou het geval moeten zijn.
"Eerdere studies hebben gesuggereerd dat neutronensterparen zich kunnen vormen en opgaan in de dichte omgeving van een bolhoop", zei Fong. "Onze waarnemingen tonen aan dat dit zeker niet het geval is voor deze fusie van neutronensterren."
Fong denkt ook dat dit werk enig licht heeft geworpen op gammastraaluitbarstingen. Ze denkt dat die verre explosies eigenlijk fusies van neutronensterren zijn, zoals GW170817. Ze produceren allemaal relativistische jets, volgens Fong is het alleen dat ze vanuit verschillende hoeken worden bekeken.
Astrofysici zien deze jets meestal vanuit gammastraaluitbarstingen vanuit een andere hoek dan GW170817, meestal frontaal. Maar GW170817 werd gezien vanuit een hoek van 30 graden. Dat was nog nooit eerder gezien in optisch licht.
"GW170817 is de eerste keer dat we de jet 'off-axis' kunnen zien," zei Fong. "De nieuwe tijdreeks geeft aan dat het belangrijkste verschil tussen GW170817 en korte gammaflitsen op afstand de kijkhoek is."
Een paper met deze resultaten zal deze maand worden gepubliceerd in de Astrophysical Journal Letters. Het heet "De optische nagloeiing van GW170817: een gestructureerde straal buiten de as en diepe beperkingen op een bolvormige clusteroorsprong." Het is zichtbaar via de bovenstaande link op arxiv.org.
Meer:
- Research Paper: The Optical Afterglow of GW170817: een off-axis gestructureerde jet en diepe beperkingen op een bolvormige clusteroorsprong
- Persbericht: Afterglow belicht de aard, oorsprong van botsingen met neutronensterren
- LIGO / Maagd: DE DAG VAN DE MULTI-MESSENGER-ASTROFYSICA: OPMERKINGEN VAN EEN BINAIRE NEUTRON STERMERGER
