Posljednje viđenje: Super brzi mlazni tokovi udaljeni od udarca zvijezde Neutrona

Nalaz sugerira da je spajanje LIGO neutronske zvijezde tipično pucanje gama zraka.

Umjetnik slika dviju spajajućih neutronskih zvijezda.
NSF / LIGO / Državno sveučilište Sonoma / A. Simonnet

Prije nekoliko milijuna godina, dvije neutronske zvijezde, vrećice veličine grada koje su preostale kad eksplodiraju masivne zvijezde, razbile su se zajedno pri znatnom dijelu brzine svjetlosti. Događaj je bio toliko žestok da je potresao svemir proizvodeći uznemirenosti u tkivu prostora-vremena poznatom kao gravitacijski valovi. Spajanje je također ispucalo vatromet, emitirajući elektromagnetsko zračenje diljem kosmosa.

Ta dva signala konačno su se pojavila preko Zemlje u kolovozu 2017. To je bilo kad su LIGO u Sjedinjenim Državama i Djevica u Italiji otkrili gravitacijske valove, a oko 70 promatračnica primijetilo je svjetlo koje struji iz iste regije u svemir. Ali možda najuzbudljiviji nalaz bio je prasak gama zraka najenergičnije eksplozije u svemiru čije porijeklo ostaje nepoznato.

Snažna povezanost bio je dokaz pušenja - da su pucanja gama zraka izazvana sudarima neutronskih zvijezda, kaže Jonathan Zrake (Sveučilište Columbia). Nepotrebno je reći da je otkriće oluje odnelo astronomsku zajednicu.

No, studija o prirodi objavljena prošlog prosinca stavila je ovo pitanje u pitanje. Kunal Mooley (Kalifornijski tehnološki institut) i njegovi kolege tvrdili su da brzi mlaz visokoenergetskog zračenja, koji se giba gama zracima prema Zemlji, nije uspio probiti školjku materijala izbačenu u razboj neutronske zvijezde, što znači da bilo je sve osim tipičnog praska gama zraka.

Mooleyev tim nastavio je promatrati mjesto zločina u posljednjih godinu dana, a noviji nalazi sugeriraju upravo suprotno: Mlaz je probio pušući otpad. Posljednje opažanje, također objavljeno u časopisu Nature, konačno svodi desetljećima staru misteriju iza nekih najsjajnijih eksplozija u svemiru.

Je li se Jet Choke?

Nakon spajanja dvije neutronske zvijezde, izbacivanje iz početne eksplozije obrušilo je crnu rupu koja je nastala tijekom sudara. Na kraju je plazma mlaz, pokretan materijalom koji još uvijek pada na crnu rupu, probio kokon okolnog plina da bi se izbio u međuzvjezdani prostor, gdje je postalo očito njegovo izuzetno brzo kretanje.
Sophia Dagnello / NRAO / AUI / NSF

Iako su rafali gama zraka prvi put primijećeni krajem 1960-ih, njihov izvor dugo je ostao misterija. Tek u posljednjem desetljeću ili na taj način astronomi su počeli sumnjati da nastaju kada se par neutronskih zvijezda sudara i raznese brzi mlaz prema Zemlji, "poput topa koji u jednom smjeru ispaljuje visokoenergetske fotone", kaže Zrake,

Gledano licem u lice, ti događaji mogu biti izuzetno svijetli. Ali gledano izvan osi, bez relativističkih efekata koji povećavaju njihovu emisiju, oni mogu izgledati krajnje nejasno - vanzemaljci u blizini možda će događaj u potpunosti propustiti ako ne bi gledali niz cijev gama-zrakoplova, da tako kažem.

Pa kada su astronomi shvatili da su gama-zračni signali proizvedeni razbijanjem zvijezda neutronskih zvijezda 10.000 puta tamniji od onih koji se vide u drugim kratkim eksplozijama gama zraka, pretpostavili su da je mlaz okrenut malo dalje od Zemlje, ali ne tako daleko da je bio bi nevidljiv.

Ipak, astronomi su očekivali da će se mlaz zasvijetliti dok je padao u plin i prašinu oko spajanja, zbog čega će usporiti i iznenada početi emitirati svjetlost u svim smjerovima. Kad Mooley i njegovi kolege nisu vidjeli ništa takvo i umjesto toga bili su svjedoci sporog i postojanog sjaja, utvrdili su da mlazni automobil najvjerojatnije nije provalio kroz taj bahati kokon materijala koji sadrži bogat neutronom.

Prigovori koje je iznio tim bili su fer, kaže Brian Metzger (Sveučilište Columbia), koji nije sudjelovao ni u jednom istraživanju. Ali ispada da nikada ne smijete potcijeniti snagu mlaza.

Moćan udarac

Mooleyev tim nastavio je promatrati posljedice spajanja pomoću nekoliko radio-teleskopa širom Sjeverne Amerike, uključujući veoma dugu baznu liniju (VLBA), veoma veliku armiju Karla G. Janskyja (VLA) i teleskop Robert Green C. Byrd Green Bank (GBT) ). Kombinirajući podatke, tim je uspio zaviriti u regiju s takvom visokom rezolucijom, poput korištenja teleskopa na cijelom kontinentu, kaže Mooley.

Kako je mlaz iz spajanja neutronskih zvijezda izlazio u svemir, simulirane radio-slike u ovom umjetničkom konceptu ilustriraju njegovo izuzetno brzo kretanje. U 155 dana između dva promatranja, činilo se da se mlaz kreće 2 svjetlosne godine, udaljenost koja će mu trebati da putuje četiri puta brže od svjetlosti. Ovo takozvano superluminalno kretanje je relativistička iluzija do koje dolazi jer je mlaz usmjeren gotovo prema Zemlji. Zapravo se kreće više od 97% brzine svjetlosti. (Dijagram ne mjeri.)
D. Berry / O. Gottlieb / K. Mooley G. Hallinan / NRAO / AUI / NSF

To im je omogućilo da vide dramatičnu razliku između dvije slike, jedne snimke 75 dana nakon spajanja i jedne 230 dana nakon. Unutar tog vremenskog okvira skočio je kompaktni radio izvor - toliko da je tim odredio jedino objašnjenje da je radio izvor zapravo rub mlaza, koji je šokirao međuzvijezdani medij. Nema sumnje - mlaz se probijao kroz krhotine.

Takvo viđanje značilo je da je pad neutronske zvijezde ipak stvorio tipičan kratki gama-rafal. "Udruženi napor zajednice na ovom događaju zaista je snažno povećao naše povjerenje u tu vezu - i to je sveti gral", kaže Metzger, s obzirom na to da su astronomi dugo tražili porijeklo iza ovih snažnih eksplozija.

Naše podrijetlo

Ako je ta veza čvrsto uspostavljena, astronomi mogu početi bolje razumjeti detalje koji stoje iza ovih sustava, poput njihove geometrije. Mooley i njegovi kolege, na primjer, tvrde da je ovaj mlaz vrlo uzak, širok najviše 5 stupnjeva, a bio je usmjeren samo 20 stupnjeva od zemaljskog smjera.

To znači da bi vrlo malo izvanzemaljskih promatrača zamišljalo pravu kratku gama-eksploziju s događaja. Ako i druga spajanja imaju istu geometriju, to može značiti da broj kratkih gama-zraka otkrivenih na Zemlji predstavlja samo mali dio spajanja neutronskih zvijezda.

Te su informacije ključne ako želimo razumjeti vlastito podrijetlo, jer znanstvenici sada misle da ti sudari (za razliku od eksplozija supernove) proizvode nekoliko važnih elemenata, poput zlata, platine i urana. Još je nejasno mogu li takva spajanja činiti sve ove elemente ili je također neki drugi mehanizam također u igri. Samo bolje razumijevanje učestalosti ovih događaja pomoći će astronomima da odgovore na to pitanje.

Astronomi će vjerojatno morati odgovoriti na dodatna pitanja uz pomoć budućih spajanja neutronskih zvijezda, jer ovo mjesto pada brzo propada. Konačna radio-ispitivanja mogu se dogoditi sada. "To je pomalo gubitak", kaže Zrake. "To je na neki način kao da se zbogom od dragog prijatelja."

Referenca:

KP Mooley i sur. „Superluminalno gibanje relativističkog mlaza u spajanju neutronske zvijezde GW170817.“ Priroda, 6. rujna 2018.