Hat Rapid Spin 2017 den Zusammenbruch von Neutronensternen in ein Schwarzes Loch verzögert?

Wenn zwei Neutronensterne ineinander spiralen und zu einem Schwarzen Loch verschmelzen – ein Ereignis, das 2017 weltweit von Gravitationswellendetektoren und Teleskopen aufgezeichnet wurde – wird daraus sofort ein Schwarzes Loch? Oder dauert es eine Weile, bis es sich dreht, bevor es gravitativ am Ereignishorizont vorbei in ein Schwarzes Loch kollabiert?

Laufende Beobachtungen dieser Verschmelzung im Jahr 2017 durch das Chandra-Röntgenobservatorium, ein umlaufendes Teleskop, deuten auf Letzteres hin: dass das verschmolzene Objekt wahrscheinlich nur eine Sekunde lang dort blieb, bevor es endgültig zusammenbrach.

Der Beweis liegt in Form eines Röntgen-Nachleuchtens der Verschmelzung mit der Bezeichnung GW170817 vor, das nicht zu erwarten wäre, wenn die verschmolzenen Neutronensterne sofort zu einem Schwarzen Loch kollabieren würden. Das Nachglühen kann als Abprallen von Material von den verschmolzenen Neutronensternen erklärt werden, das die Materie um die Neutronendoppelsterne herum durchpflügte und erhitzte. Dieses heiße Material hat den Überrest nun mehr als vier Jahre, nachdem die Fusion Material in einer sogenannten Kilonova nach außen geschleudert hat, stetig glühen lassen. Die Röntgenemissionen eines Materialstrahls, der von Chandra kurz nach der Fusion entdeckt wurde, würden sonst inzwischen schwächer werden.

Während die von Chandra beobachteten übermäßigen Röntgenemissionen von Trümmern in einer Akkretionsscheibe stammen könnten, die herumwirbeln und schließlich in das Schwarze Loch fallen, favorisiert die Astrophysikerin Raffaella Margutti von der University of California, Berkeley, die Hypothese des verzögerten Kollapses, die theoretisch vorhergesagt wird.

„Wenn die verschmolzenen Neutronensterne ohne Zwischenstadium direkt zu einem Schwarzen Loch kollabieren würden, wäre es sehr schwer, diesen Röntgenüberschuss zu erklären, den wir jetzt sehen, weil es keine harte Oberfläche gäbe, auf der Dinge abprallen könnten mit hoher Geschwindigkeit ausfliegen, um dieses Nachglühen zu erzeugen“, sagte Margutti, außerordentliche Professorin für Astronomie und Physik an der UC Berkeley. „Es würde einfach hineinfallen. Erledigt. Der wahre Grund, warum ich wissenschaftlich begeistert bin, ist die Möglichkeit, dass wir etwas mehr sehen als den Jet. Wir könnten endlich Informationen über das neue kompakte Objekt erhalten.“

Margutti und ihre Kollegen, darunter die Erstautorin Aprajita Hajela, die Marguttis Doktorandin war, als sie an der Northwestern University war, bevor sie an die UC Berkeley wechselte, berichten über ihre Analyse des Röntgen-Nachleuchtens in einem kürzlich zur Veröffentlichung angenommenen Artikel Die Briefe des astrophysikalischen Journals.

Das radioaktive Leuchten einer Kilonova

Gravitationswellen aus der Fusion wurden erstmals am 17. August 2017 vom Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) und der Virgo-Kollaboration nachgewiesen. Satelliten- und bodengestützte Teleskope folgten schnell, um einen Ausbruch von Gammastrahlen und sichtbaren und infraroten Emissionen aufzuzeichnen, die zusammen die Theorie bestätigten, dass viele schwere Elemente nach solchen Verschmelzungen in heißen Auswürfen produziert werden, die eine helle Kilonova erzeugen. Die Kilonova leuchtet aufgrund des Lichts, das beim Zerfall radioaktiver Elemente wie Platin und Gold ausgestrahlt wird, die in den Trümmern der Fusion entstehen.

Auch Chandra drehte sich um, um GW170817 zu beobachten, sah aber erst neun Tage später Röntgenstrahlen, was darauf hindeutet, dass die Verschmelzung auch einen schmalen Materialstrahl erzeugte, der bei Kollision mit der Materie um die Neutronensterne einen Kegel aus Röntgenstrahlen aussendete das zunächst die Erde verfehlte. Erst später weitete sich der Kopf des Jets aus und begann, Röntgenstrahlen in einem breiteren Jet auszusenden, der von der Erde aus sichtbar war.

Die Röntgenemissionen des Jets nahmen nach der Fusion 160 Tage lang zu, danach wurden sie stetig schwächer, als der Jet langsamer wurde und sich ausdehnte. Doch Hajela und ihr Team stellten fest, dass ab März 2020 – etwa 900 Tage nach der Fusion – bis Ende 2020 der Rückgang aufhörte und die Röntgenemissionen in etwa konstanter Helligkeit blieben.

„Die Tatsache, dass die Röntgenstrahlen schnell aufhörten zu verblassen, war unser bisher bester Beweis dafür, dass in dieser Quelle neben einem Jet noch etwas in den Röntgenstrahlen entdeckt wird“, sagte Margutti. „Eine völlig andere Quelle von Röntgenstrahlen scheint erforderlich zu sein, um zu erklären, was wir sehen.“

Die Forscher schlagen vor, dass die überschüssigen Röntgenstrahlen durch eine Schockwelle erzeugt werden, die sich von den durch die Fusion erzeugten Jets unterscheidet. Dieser Schock war eine Folge des verzögerten Zusammenbruchs der verschmolzenen Neutronensterne, wahrscheinlich weil ihre schnelle Drehung dem Gravitationskollaps sehr kurz entgegenwirkte. Durch das Verweilen für eine zusätzliche Sekunde erhielt das Material um die Neutronensterne einen zusätzlichen Aufprall, der einen sehr schnellen Schwanz von Kilonova-Auswurf erzeugte, der den Schock erzeugte.

„Wir glauben, dass die Emission des Kilonova-Nachleuchtens durch geschocktes Material im zirkumbinären Medium erzeugt wird“, sagte Margutti. „Es ist Material, das sich in der Umgebung der beiden Neutronensterne befand, das von der schnellsten Kante des Kilonova-Auswurfs, der die Stoßwelle antreibt, geschockt und erhitzt wurde.“

Die Strahlung erreiche uns erst jetzt, weil es einige Zeit gedauert habe, bis der schwere Kilonova-Auswurf in der Umgebung mit geringer Dichte abgebremst und die kinetische Energie des Auswurfs durch Erschütterungen in Wärme umgewandelt worden sei, sagte sie. Dies ist der gleiche Prozess, der Radio- und Röntgenstrahlen für den Jet erzeugt, aber weil der Jet viel, viel leichter ist, wird er sofort von der Umgebung abgebremst und leuchtet seit frühester Zeit im Röntgen- und Radio.

Eine alternative Erklärung, stellen die Forscher fest, ist, dass die Röntgenstrahlen von Material stammen, das auf das Schwarze Loch fällt, das sich nach der Verschmelzung der Neutronensterne gebildet hat.

„Dies wäre entweder das erste Mal, dass wir ein Kilonova-Nachglühen sehen, oder das erste Mal, dass wir Material sehen, das nach einer Neutronensternverschmelzung auf ein Schwarzes Loch fällt“, sagte Co-Autor Joe Bright, ein Postdoktorand der UC Berkeley. „Jedes Ergebnis wäre extrem aufregend.“

Chandra ist jetzt das einzige Observatorium, das noch Licht von dieser kosmischen Kollision erkennen kann. Folgebeobachtungen von Chandra und Radioteleskopen könnten jedoch zwischen den alternativen Erklärungen unterscheiden. Wenn es sich um ein Kilonova-Nachglühen handelt, wird erwartet, dass in den nächsten Monaten oder Jahren wieder Radioemissionen nachgewiesen werden. Wenn die Röntgenstrahlen von Materie erzeugt werden, die auf ein neu gebildetes Schwarzes Loch fällt, sollte die Röntgenstrahlung konstant bleiben oder schnell abnehmen, und im Laufe der Zeit wird keine Radioemission festgestellt.

Margutti hofft, dass LIGO, Virgo und andere Teleskope Gravitationswellen und elektromagnetische Wellen von mehr Verschmelzungen von Neutronensternen erfassen werden, damit die Reihe von Ereignissen vor und nach der Verschmelzung genauer festgelegt werden kann und dabei hilft, die Physik der Entstehung von Schwarzen Löchern aufzudecken. Bis dahin ist GW170817 das einzige zum Studium verfügbare Beispiel.

„Eine weitere Untersuchung von GW170817 könnte weitreichende Auswirkungen haben“, sagte Co-Autorin Kate Alexander, eine Postdoktorandin, die ebenfalls von der Northwestern University stammt. „Der Nachweis eines Kilonova-Nachglühens würde bedeuten, dass die Verschmelzung nicht sofort ein Schwarzes Loch hervorgebracht hat. Alternativ könnte dieses Objekt Astronomen die Möglichkeit bieten, zu untersuchen, wie Materie einige Jahre nach ihrer Geburt auf ein Schwarzes Loch fällt.“

Margutti und ihr Team gaben kürzlich bekannt, dass das Chandra-Teleskop bei Beobachtungen von GW170817, die im Dezember 2021 durchgeführt wurden, Röntgenstrahlen entdeckt hatte. Die Analyse dieser Daten ist im Gange. Es wurde keine Funkerkennung im Zusammenhang mit den Röntgenstrahlen gemeldet.