Astrofysikere afslører kosmisk eksplosions uventede symmetri

Selvom den spektakulære eksplosion af kolliderende neutronstjerner er synlig på tværs af det mest af Universet, er den resulterende ildkugle alt for lille til at kunne se nogen detaljer. Men nu har astronomer fra Niels Bohr Institutet fundet en måde at måle eksplosionens struktur på. Det overraskende resultat giver ny indsigt i den fundamentale fysik, som beskriver dannelsen af tunge grundstoffer og fødslen af et sort hul. Studiet er netop blevet offentliggjort i tidsskriftet Nature.

kilonova-robin-dienel

Kunstnerisk opfattelse af to neutronstjerner som, efter at have spiralleret ind mod hinanden henover milliarder af år, ender deres liv i en kolossal eksplosion kendt som en kilonova. De fleste tunge grundstoffer, som f.eks. guldet på din ringfinger, menes at blive skabt i denne proces. Illustration: Robin Dienel (Carnegie Institution for Science).

Når en tung stjerne løber tør for brændstof, ender den sit liv ikke med et klynk, men med et brag.

Mens stjernens ydre lag blæses ud med enorm fart i det omkringliggende rum, kollapser kernen til en ekstrem kompakt neutronstjerne (eller endda et sort hul).

En neutronstjerne vejer det samme som vores Sol eller mere, men er presset sammen til en kugle på kun 10 kilometer.

Hvis to så kompakte objekter kredser om hinanden, vil de med tiden spirallere ind og kollidere. Resultatet er endnu en eksplosion, kendt som en kilonova, efterfulgt af et kollaps af de inderste dele til et sort hul.

Kilonovaer: et nyt forskningsfelt

Selvom deres eksistens blevet forudsagt i 1998, blev de første kilonovaer først bekræftet i  2013. Fire år senere detekterede de nye tyngdebølge-observatorier LIGO i USA og Virgo i Europa tyngdebølger fra kilonovaerne, signaturen af meget kompakte objekter. Det gik op for forskerne, at — i modsætning til hvad man havde troet — kilonovaer er Universets vigtigste fabrik til fremstilling af tunge grundstoffer såsom guld, sølv, platin, uran og plutonium.

Teoretiske og observationelle studier har bragt os nærmere en forståelse af dette gådefulde fænomen. Men eftersom alle observerede kilonovaer til dato er opdaget på umådelige afstande — den nærmeste er over 100 millioner lysår væk — er vi ikke i stand til at se eksplosionens detaljer.

Fordi forløberen for en kilonova er to stjerner, der kredser i en plan, kunne vi forvente at eksplosionen i sagens natur er asymmetrisk. Denne hypotese støttes af computersimuleringer og andre teoretisk beregninger.

kilonova-tohoku-university-lo

De fleste modeller forudsiger, at centrifugalkræfter slynger neutronstjerne-stof ud i deres kredsløbs plan, kort før resten kollapser til et sort hul. Illustration: Tohoku Universitet.

Kuglerund eksplosion

Men nu udfordrer astrofysikere fra Cosmic Dawn Center i København denne antagelse:

Ved at analysere spektret — dvs. farven af lyset, spredt ud efter dets bølgelængde — af en allerede velundersøgt kilonova døbt AT2017gfo fandt de ikke én, men to signaturer som afslører formen af den ekspanderende ildkugle.

Og resultatet var overraskende — ikke mindst for dem selv!

Den første metode gik ud på at måle hastigheden af den ekspanderende ildkugle i to forskellige retninger; henholdsvis langs sigtelinjen, og vinkelret herpå.

Studiet blev ledet af PhD-studerende Albert Sneppen, som forklarer: “Langs vores synslinje er det en standard-procedure i astronomi, da hastigheden giver en Doppler-effekt, som kan ses i spektret. I retningen vinkelret herpå er det lidt mere tricky, fordi teleskoperne ikke kan opløse eksplosionen. Men ved at kombinere de forskellige informationkanaler — tyngdebølgerne den udsendte, radiobølgerne der kom senere, og eksplosionens lysstyrke — kunne vi udlede hvordan dens areal øgedes, og dermed hvor hurtigt den udvidede sig”

Astronomerne fandt, at de to hastigheder var ens indenfor få procent. Og hvis en sky udvider sig med samme hastighed i forskellige retninger, må den være kuglerund.

Doppler-effekten

Doppler-effekten er et velkendt fænomen fra lyd: Tonen af en modkørende ambulance er lysere end en ambulance, der holder stiller, fordi lydens bølgelængde er “presset sammen”.

En lignende effekt ses for lys: Hvis et lysende objekt bevæger sig mod dig, får dets lys en kortere bølgelængde og ændrer dermed sin farve. Ved at sammenligne farven med, hvordan den “burde” se ud, kan man beregne objektets fart.

For eksempel vil en grøn foton, som udsendes af et objekt der rejser med 20% af lysets fart, blive forskudt til en blå foton. Omvendt, hvis objektet bevæger sig væk fra dig, vil du se en rød foton.

Derfor siger vi også, at lyset er blevet henholdsvis blåforskudt eller rødforskudt.

strontium-line-dan

Grundstoffer i den ekspanderende sky absorberer noget af lyset fra eksplosionens centrum. For strontium, som skyen indeholder meget af, ses denne absorption omkring bølgelængder på 0.8 mikrometer. Men hvis skyen ikke er kuglerund, kan absorptionen blive forskudt mod kortere eller længere bølgelængder, alt afhængig af skyens form. På denne figur er effekten overdrevet, og absorptionen ligger i virkeligheden længere til højre, ude i det infrarøde område. Illustration: Peter Laursen (Cosmic Dawn Center).

Uafhængige metoder giver samme resultat

For at bekræfte det uventede resultat kiggede Albert Sneppen og hans kolleger på et specifikt træk i spektret forårsaget af strontium, et grundstof som tidligere blev brugt til at forhindre røntgenstråler fra farve-TV, og i dag bruges til bl.a. at lave rødt fyrværkeri. Dette grundstof er blandet i den gasformige, ekspanderende sky, og absorberer en del af lyset fra eksplosionens centrum.

“Det viser sig, at de præcise bølgelængder hvor gassen i den ekspanderende sky absorberer det lys, der kommer bagfra, afslører skyens form,” forklarer Albert Sneppen. “Hvis skyen er aflang som en rugby-bold, bliver absorptionen forskudt en smule mod kortere bølgelængder. Hvis den derimod er lidt fladtrykt som en M&M-pastil (altså dem uden peanuts), strækker absorptionen sig til længere bølgelængder.”

Men astronomerne fandt, at absorptionen hverken var forskudt den ene eller den anden vej, hvilket igen indikerer, at eksplosionen er symmetrisk.

Fundamental fysik på spil

Hvilken fysisk proces, der kunne give anledning til denne symmetri, er endnu uvist, selvom forskerne har flere mulige mekanismer på tegnebrættet:

“Vi ved endnu ikke, hvad der foregår,” siger Darach Watson, lektor ved Cosmic Dawn Center og andenforfatter på studiet. “Måske kan en neutronstjerne, som kollapser til et sort hul, skabe en ‘magnet-bombe’ når magnetfelter skæres over og samler sig igen udenfor det sorte hul? Måske kan hurtig-roterende neutronstjerner forsinke kollapset et splitsekund og skabe en hypertung neutronstjerne som forårsager en uhyre kraftig vind. Og måske kan de ekstreme tætheder påvirke måden hvorpå de ultra-lette neutrino-partikler undslipper. Alle disse mekanismer er værd at udforske.”

Resultatet giver ikke blot ny indsigt i den fundamentale fysik bag disse gigantiske eksplosioner, dannelsen af tunge grundstoffer og sorte hullers fødsel. Det holder også nøglen til at lære om et andet spændende fænomen, nemlig Universets udvidelse.

“Nuværende metoder til at måle den kosmiske udvidelseshastighed stemmer ikke overens. Vi tror at dét, at kilonovaernes eksplosioner er kuglerunde tillader os at bruge den måde, deres lysstyrke udvikler sig med tiden, til at få helt uafhængige estimater af udvidelseshastigheden, og på den måde afgøre dette store kosmologiske spørgsmål,” afslutter Darach Watson.

Studiet er netop blevet publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Mere information

 

Tags: