Efterdyningarna av sammanslagning av två neutronstjärnor. Ejecta från en initial explosion bildade ett skal runt det svarta hålet som bildades från sammanslagningen. En stråle av material som drevs fram från en skiva som omgav det svarta hålet interagerade först med utstötningsmaterialet för att bilda en bred "kokong". Senare, strålen bröt igenom för att komma ut i det interstellära rymden, där dess extremt snabba rörelse blev uppenbar. Kredit:Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
Exakt mätning med en kontinentomfattande samling av National Science Foundation (NSF) radioteleskop har avslöjat att en smal stråle av partiklar som rörde sig med nästan ljusets hastighet bröt ut i det interstellära rymden efter att ett par neutronstjärnor slogs samman i en galax med 130 miljoner ljus -år från jorden. Sammanslagningen, som inträffade i augusti 2017, skickade gravitationsvågor som porlande genom rymden. Det var den första händelsen någonsin som upptäcktes av både gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor, inklusive gammastrålar, röntgenstrålar, synligt ljus, och radiovågor.
Efterdyningarna av sammanslagningen, heter GW170817, observerades av kretsande och markbaserade teleskop runt om i världen. Forskare såg hur egenskaperna hos de mottagna vågorna förändrades med tiden, och använde ändringarna som ledtrådar för att avslöja karaktären av fenomenen som följde på sammanslagningen.
En fråga som stack ut, även månader efter sammanslagningen, var huruvida händelsen hade skapat en smal, snabbrörlig stråle av material som tog sig in i det interstellära rymden. Det var viktigt, eftersom sådana jetstrålar krävs för att producera den typ av gammastrålningskurar som teoretiker hade sagt borde orsakas av sammanslagning av neutron-stjärnepar.
Svaret kom när astronomer använde en kombination av NSF:s Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), och Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) och upptäckte att en region med radioutstrålning från sammanslagningen hade flyttat, och rörelsen var så snabb att bara ett jetplan kunde förklara dess hastighet.
"Vi mätte en skenbar rörelse som är fyra gånger snabbare än ljuset. Den illusionen, kallad superluminal rörelse, resultat när strålen riktas nästan mot jorden och materialet i strålen rör sig nära ljusets hastighet, " sa Kunal Mooley, av National Radio Astronomy Observatory (NRAO) och Caltech.
Astronomerna observerade objektet 75 dagar efter sammanslagningen, sedan igen 230 dagar efter.
"Baserat på vår analys, denna jet är troligen väldigt smal, högst 5 grader bred, och pekade bara 20 grader bort från jordens riktning, sa Adam Deller, från Swinburne University of Technology och tidigare NRAO. "Men för att matcha våra observationer, materialet i strålen måste också sprängas utåt med över 97 procent av ljusets hastighet." tillade han.
När strålen från sammanslagningen av neutronstjärnan dök upp i rymden, simulerade radiobilder i denna konstnärs uppfattning illustrerar dess extremt snabba rörelse. Under de 155 dagarna mellan två observationer, strålen verkade röra sig två ljusår, en sträcka som skulle kräva att den färdades fyra gånger snabbare än ljuset. Denna "superluminala rörelse" är en illusion som skapas när strålen pekar nästan mot jorden och den rör sig faktiskt mer än 97 procent av ljusets hastighet. (Inte i skala.) Kredit:D. Berry, O. Gottlieb, K. Mooley, G. Hallinan, NRAO/AUI/NSF
Scenariot som uppstod är att den första sammanslagningen av de två supertäta neutronstjärnorna orsakade en explosion som drev ett sfäriskt skal av skräp utåt. Neutronstjärnorna kollapsade till ett svart hål vars kraftfulla gravitation började dra material mot sig. Det materialet bildade en snabbt snurrande skiva som genererade ett par jetstrålar som rörde sig utåt från dess poler.
När händelsen utvecklades, frågan blev om jetplanen skulle bryta sig ut ur skalet av skräp från den ursprungliga explosionen. Data från observationer indikerade att en jet hade interagerat med skräpet, bildar en bred "kokong" av material som expanderar utåt. En sådan kokong skulle expandera långsammare än en jet.
"Vår tolkning är att kokongen dominerade radioutsändningen fram till cirka 60 dagar efter sammanslagningen, och vid senare tillfällen var utsläppet jetdominerat, sade Ore Gottlieb, vid Tel Avivs universitet, en ledande teoretiker i studien.
"Vi hade turen att kunna observera denna händelse, för om strålen hade riktats mycket längre bort från jorden, radioutsändningen skulle ha varit för svag för att vi skulle kunna upptäcka, " sa Gregg Hallinan från Caltech.
Detekteringen av en snabbrörlig jetstråle i GW170817 stärker avsevärt sambandet mellan neutronstjärnes sammanslagningar och kortvariga gammastrålningsskurar, sa forskarna. De tillade att strålarna måste riktas relativt nära mot jorden för att gammastrålningen ska upptäckas.
"Vår studie visar att genom att kombinera observationer från VLBA, VLA och GBT är ett kraftfullt sätt att studera jetstrålar och fysik i samband med gravitationsvåghändelser, " sa Mooley.
"Sammanslagningsevenemanget var viktigt av flera skäl, och det fortsätter att överraska astronomer med mer information, sa Joe Pesce, NSF Program Director för NRAO. "Jets är gåtfulla fenomen som ses i ett antal miljöer, och nu ger dessa utsökta observationer i radiodelen av det elektromagnetiska spektrumet fascinerande insikter i dem, hjälper oss förstå hur de fungerar."
Mooley och hans kollegor rapporterade sina fynd i onlineversionen av tidskriften den 5 september Natur .
