Astronomen, die archivierte Beobachtungen von starken Explosionen, sogenannten kurzen Gammastrahlenausbrüchen (GRBs), untersuchen, haben Lichtmuster entdeckt, die auf die kurze Existenz eines superschweren Neutronensterns hinweisen, kurz bevor er in ein Schwarzes Loch kollabierte. Dieses flüchtige, massive Objekt entstand wahrscheinlich durch die Kollision zweier Neutronensterne.
„Wir haben nach diesen Signalen in 700 kurzen GRBs gesucht, die mit dem Neil Gehrels Swift Observatory, dem Fermi Gamma-ray Space Telescope und dem Compton Gamma Ray Observatory der NASA entdeckt wurden“, erklärte Cecilia Chirenti, Forscherin an der University of Maryland, College Park (UMCP). und das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, das die Ergebnisse auf dem 241. Treffen der American Astronomical Society in Seattle vorstellte. „Wir haben diese Gammastrahlenmuster in zwei von Compton in den frühen 1990er Jahren beobachteten Ausbrüchen gefunden.“
EIN Papier Die Beschreibung der Ergebnisse unter der Leitung von Chirenti wurde am Montag, dem 9. Januar, in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Ein Neutronenstern entsteht, wenn dem Kern eines massereichen Sterns der Brennstoff ausgeht und er zusammenbricht. Dies erzeugt eine Schockwelle, die den Rest des Sterns in einer Supernova-Explosion wegbläst. Neutronensterne packen normalerweise mehr Masse als unsere Sonne in einen Ball von der Größe einer Stadt, aber ab einer bestimmten Masse müssen sie zu Schwarzen Löchern kollabieren.
Sowohl die Compton-Daten als auch Computersimulationen zeigten, dass Mega-Neutronensterne 20 % mehr auf die Waage bringen als der massereichste, präzise gemessene Neutronenstern, der bekannt ist – genannt J0740+6620 –, der fast das 2,1-fache der Sonnenmasse wiegt. Superschwere Neutronensterne haben auch fast die doppelte Größe eines typischen Neutronensterns oder etwa die doppelte Länge von Manhattan Island.
Die Mega-Neutronensterne drehen sich fast 78.000 Mal pro Minute – fast doppelt so schnell wie J1748–2446ad, der schnellste Pulsar aller Zeiten. Diese schnelle Rotation hält die Objekte kurzzeitig gegen einen weiteren Kollaps und lässt sie nur wenige Zehntelsekunden existieren, um dann schneller als ein Wimpernschlag ein Schwarzes Loch zu bilden.
„Wir wissen, dass sich kurze GRBs bilden, wenn umlaufende Neutronensterne zusammenstoßen, und wir wissen, dass sie schließlich in ein Schwarzes Loch kollabieren, aber die genaue Abfolge der Ereignisse ist nicht gut verstanden“, sagte Cole Miller, Professor für Astronomie am UMCP und Co -Autor der Abhandlung. „Irgendwann bricht das entstehende Schwarze Loch mit einem Strahl sich schnell bewegender Teilchen aus, der einen intensiven Blitz aus Gammastrahlen aussendet, der energiereichsten Form von Licht, und wir wollen mehr darüber erfahren, wie sich das entwickelt.“
Diese Simulation verfolgt die Gravitationswellen- und Dichteänderungen, wenn zwei umlaufende Neutronensterne zusammenstoßen. Dunkelviolette Farben stellen die niedrigsten Dichten dar, während Gelb-Weiß die höchsten zeigt. Ein hörbarer Ton und eine visuelle Frequenzskala (links) verfolgen den stetigen Anstieg der Frequenz von Gravitationswellen, wenn sich die Neutronensterne nähern. Wenn die Objekte nach 42 Sekunden verschmelzen, springen die Gravitationswellen plötzlich auf Frequenzen von Tausenden von Hertz und springen zwischen zwei Primärtönen (quasiperiodische Oszillationen oder QPOs) hin und her. Das Vorhandensein dieser Signale in solchen Simulationen führte zur Suche und Entdeckung ähnlicher Phänomene im Licht, das von kurzen Gammablitzen emittiert wird. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center und STAG Research Center der NASA/Peter Hammond
Kurze GRBs leuchten normalerweise weniger als zwei Sekunden lang, setzen aber Energie frei, die mit der vergleichbar ist, die von allen Sternen in unserer Galaxie über ein Jahr freigesetzt wird. Sie können mehr als eine Milliarde Lichtjahre entfernt nachgewiesen werden. Verschmelzende Neutronensterne erzeugen auch Gravitationswellen, Wellen in der Raumzeit, die von einer wachsenden Zahl von bodengestützten Observatorien erfasst werden können.
Computersimulationen dieser Verschmelzungen zeigen, dass Gravitationswellen einen plötzlichen Frequenzsprung von über 1.000 Hertz aufweisen, wenn die Neutronensterne verschmelzen. Diese Signale sind zu schnell und schwach, als dass bestehende Gravitationswellen-Observatorien sie erkennen könnten. Aber Chirenti und ihr Team argumentierten, dass ähnliche Signale in der Gammastrahlenemission von kurzen GRBs auftreten könnten.
Astronomen nennen diese Signale quasiperiodische Oszillationen, kurz QPOs. Anders als beispielsweise das stetige Klingeln einer Stimmgabel können QPOs aus mehreren nahen Frequenzen bestehen, die sich im Laufe der Zeit ändern oder auflösen. Sowohl die Gammastrahlen- als auch die Gravitationswellen-QPOs entstehen im Mahlstrom wirbelnder Materie, wenn die beiden Neutronensterne verschmelzen.
Während bei den Swift- und Fermi-Bursts keine Gammastrahlen-QPOs auftauchten, waren zwei kurze GRBs, die von Comptons Burst And Transient Source Experiment (BATSE) am 11. Juli 1991 und am 1. November 1993 aufgezeichnet wurden, genau das Richtige.
Die größere Fläche des BATSE-Instruments gab ihm die Oberhand beim Auffinden dieser schwachen Muster – das verräterische Flackern, das die Anwesenheit von Mega-Neutronensternen offenbarte. Das Team bewertet die kombinierte Wahrscheinlichkeit, dass diese Signale nur zufällig auftreten, mit weniger als 1 zu 3 Millionen.
„Diese Ergebnisse sind sehr wichtig, da sie die Voraussetzungen für zukünftige Messungen hypermassereicher Neutronensterne durch Gravitationswellen-Observatorien schaffen“, sagte Chryssa Kouveliotou, Vorsitzende der Physikabteilung der George Washington University in Washington, die nicht an der Arbeit beteiligt war.
In den 2030er Jahren werden Gravitationswellendetektoren für Kilohertz-Frequenzen empfindlich sein und neue Einblicke in die kurze Lebensdauer von übergroßen Neutronensternen geben. Bis dahin bleiben empfindliche Gammastrahlenbeobachtungen und Computersimulationen die einzigen verfügbaren Werkzeuge, um sie zu erforschen.
Comptons BATSE-Instrument wurde am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, entwickelt und lieferte den ersten überzeugenden Beweis dafür, dass Gammastrahlenausbrüche weit jenseits unserer Galaxie auftraten. Nach fast neun Jahren Betrieb wurde das Compton Gamma Ray Observatory am 4. Juni 2000 deorbitiert und beim Eintritt in die Erdatmosphäre zerstört. Goddard verwaltet sowohl die Swift- als auch die Fermi-Mission.
Mehr Informationen:
Cecilia Chirenti et al, Quasiperiodische Kilohertz-Oszillationen in kurzen Gammastrahlenausbrüchen, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05497-0