När två neutronstjärnor spirar in i varandra och smälter samman till ett svart hål – en händelse som registrerades 2017 av gravitationsvågsdetektorer och teleskop över hela världen – blir det omedelbart ett svart hål? Eller tar det ett tag att snurra ner innan gravitationsmässigt kollapsar förbi händelsehorisonten i ett svart hål?

Pågående observationer av den sammanslagningen 2017 av Chandra X-ray Observatory, ett kretsande teleskop, tyder på det senare:att det sammanslagna objektet fastnade, troligen bara för en sekund, innan det genomgick den ultimata kollapsen.

Bevisen är i form av en röntgenefterglöd från sammanslagningen, kallad GW170817, som inte skulle förväntas om de sammanslagna neutronstjärnorna omedelbart kollapsade till ett svart hål. Efterglöden kan förklaras som en återgång av material från de sammanslagna neutronstjärnorna, som plöjde igenom och värmde upp materialet runt de binära neutronstjärnorna. Detta heta material har nu hållit kvarlevan glödande stadigt mer än fyra år efter att sammanslagningen kastade material utåt i vad som kallas en kilonova. Röntgenstrålning från en materialstråle som upptäcktes av Chandra kort efter sammanslagningen skulle annars vara svagare vid det här laget.

Medan överskottet av röntgenstrålning som observerats av Chandra kan komma från skräp i en ackretionsskiva som virvlar runt och så småningom faller in i det svarta hålet, gynnar astrofysikern Raffaella Margutti vid University of California, Berkeley, hypotesen om fördröjd kollaps, som förutsägs teoretiskt.

"Om de sammanslagna neutronstjärnorna skulle kollapsa direkt till ett svart hål utan något mellanstadium, skulle det vara mycket svårt att förklara detta röntgenöverskott som vi ser just nu, eftersom det inte skulle finnas någon hård yta för saker att studsa av och flyga ut med höga hastigheter för att skapa denna efterglöd", säger Margutti, UC Berkeley docent i astronomi och fysik. "Det skulle bara ramla in. Klart. Den sanna anledningen till att jag är vetenskapligt upphetsad är möjligheten att vi ser något mer än jetplanet. Vi kanske äntligen får lite information om det nya kompakta föremålet."

Margutti och hennes kollegor, inklusive förstaförfattaren Aprajita Hajela, som var Marguttis doktorand när hon var vid Northwestern University innan hon flyttade till UC Berkeley, rapporterar sin analys av röntgenefterglöden i en artikel som nyligen godkändes för publicering i The Astrophysical Journal Letters .

En kilonovas radioaktiva glöd

Gravitationsvågor från sammanslagningen upptäcktes först den 17 augusti 2017 av Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) och Virgo-samarbetet. Satellit- och markbaserade teleskop följde snabbt upp för att registrera en explosion av gammastrålar och synliga och infraröda emissioner som tillsammans bekräftade teorin att många tunga grundämnen produceras i efterdyningarna av sådana sammanslagningar inuti heta ejecta som producerar en ljus kilonova. Kilonovan lyser på grund av ljus som sänds ut under sönderfallet av radioaktiva grundämnen, som platina och guld, som produceras i fusionsavfallet.

Chandra svängde också för att observera GW170817, men såg inga röntgenstrålar förrän nio dagar senare, vilket tyder på att sammanslagningen också producerade en smal stråle av material som, när den kolliderade med materialet runt neutronstjärnorna, avgav en kon av röntgenstrålar som först missade jorden. Först senare expanderade strålens huvud och började sända ut röntgenstrålar i en bredare stråle synlig från jorden.

Röntgenutsläppen från strålen ökade i 160 dagar efter sammanslagningen, varefter de blev allt svagare i takt med att strålen saktade ner och expanderade. Men Hajela och hennes team märkte att från mars 2020 – cirka 900 dagar efter sammanslagningen – till slutet av 2020 upphörde nedgången och röntgenstrålningen förblev ungefär konstant i ljusstyrka.

"Det faktum att röntgenstrålarna slutade blekna snabbt var vårt bästa bevis hittills på att något utöver en jet detekteras i röntgenstrålar i den här källan," sa Margutti. "En helt annan källa till röntgenstrålar verkar behövas för att förklara vad vi ser."

Forskarna föreslår att överskottet av röntgenstrålar produceras av en stötvåg som skiljer sig från strålarna som produceras av sammanslagningen. Denna chock var ett resultat av den försenade kollapsen av de sammanslagna neutronstjärnorna, troligen för att dess snabba spin mycket kortvarigt motverkade gravitationskollapsen. Genom att hålla sig kvar en extra sekund fick materialet runt neutronstjärnorna en extra studs som producerade en mycket snabb svans av kilonovautkast som skapade chocken.

"Vi tror att kilonova-efterglödsutsläppet produceras av chockat material i det cirkumbinära mediet," sa Margutti. "Det är material som fanns i miljön för de två neutronstjärnorna som chockades och värmdes upp av den snabbaste kanten av kilonovautkastet, som driver chockvågen."

Strålningen når oss först nu eftersom det tog tid för det tunga kilonovautkastet att bromsas in i miljön med låg densitet och för utkastets kinetiska energi att omvandlas till värme genom stötar, sa hon. Det här är samma process som producerar radio och röntgen för strålen, men eftersom strålen är mycket, mycket lättare, bromsas den omedelbart av omgivningen och lyser i röntgen och radio från de allra tidigaste tiderna.

En alternativ förklaring, konstaterar forskarna, är att röntgenstrålarna kommer från material som faller mot det svarta hålet som bildades efter att neutronstjärnorna slogs samman.

"Det här skulle antingen vara första gången vi har sett en kilonova-efterglöd eller första gången vi har sett material falla ner i ett svart hål efter en neutronstjärnesfusion", säger medförfattaren Joe Bright, en postdoktorand forskare vid UC Berkeley. "Bån av resultaten skulle vara extremt spännande."

Chandra är nu det enda observatoriet som fortfarande kan upptäcka ljus från denna kosmiska kollision. Uppföljande observationer av Chandra och radioteleskop kunde dock skilja mellan de alternativa förklaringarna. Om det är en kilonova-efterglöd förväntas radioemission detekteras igen under de närmaste månaderna eller åren. Om röntgenstrålningen produceras av materia som faller på ett nybildat svart hål, bör röntgenstrålningen förbli stabil eller minska snabbt, och ingen radioemission kommer att upptäckas över tiden.

Margutti hoppas att LIGO, Jungfrun och andra teleskop kommer att fånga gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor från fler neutronstjärnesammanslagningar så att serien av händelser som föregår och följer sammanslagningen kan fastställas mer exakt och hjälpa till att avslöja fysiken kring svarta håls bildning. Tills dess är GW170817 det enda exemplet som finns tillgängligt för studier.

"Ytterligare studier av GW170817 kan få långtgående konsekvenser", säger medförfattaren Kate Alexander, en postdoktor som också kommer från Northwestern University. "Detekteringen av en kilonova-efterglöd skulle innebära att sammanslagningen inte omedelbart producerade ett svart hål. Alternativt kan detta objekt erbjuda astronomer en chans att studera hur materia faller ner i ett svart hål några år efter dess födelse."

Margutti och hennes team meddelade nyligen att Chandra-teleskopet hade upptäckt röntgenstrålar i observationer av GW170817 utförda i december 2021. Analys av dessa data pågår. Ingen radiodetektering i samband med röntgenstrålningen har rapporterats.