Pressemeddelelse

Kilden til tyngdekraftbølger set for første gang - ESOs teleskoper er med helt i front

Neutronstjerner kolliderer og spreder guld og platin i Verdensrummet

16. oktober 2017

For første gang har astronomerne observeret både tyngdekraftsbølger og lys (elektromagnetisk stråling) fra samme hændelse. Det sker takket være et verdensomspændende samarbejde, og hurtige reaktioner både ved ESOs anlæg og ved andre observatorier Verden rundt.

ESOs teleskoper i Chile har opfanget det første visuelle signal fra en kilde, som udsender tyngdekraftsbølger. Observationerne tyder på, at årsagen er sammensmeltningen af to neutronstjerner. Det voldsomme resultat af sådan en begivenhed er, at tunge grundstoffer som blandt andet guld og platin spredes ud i det omgivende verdensrum. Det har længe været forudset, at noget sådant kan ske, og hændelsen kaldes en kilonova. De helt nye observationer er tillige det indtil nu stærkeste indicium for, at de kortvarige gammastråleudbrud skyldes sammensmeltninger af neutronstjerner. Tidsskriftet Nature og flere andre offentliggør opdagelsen idag.

Den 17 August 2017 registrerede NSF's Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA og Virgo Interferometeret i Italien at gravitationsbølger passerede forbi Jorden. Det er kun femte gang, noget sådant er observeret, og hændelsen har fået nummeret GW170817. Omkring to sekunder senere opfangede de to rumobservatorier  NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope og ESAs INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) et kort udbrud af gammastråler fra samme himmelområde.

LIGO-Virgo observationerne kunne kun fastlægge kildens beliggenhed indenfor et stort område af sydhimlen, svarende til arealet af adskillige hundrede fuldmåner og med millioner af stjerner[1]. Som natten faldt på i Chile blev adskillige teleskoper rettet mod dette himmelområde for at søge efter den nye kilde. Blandt de teleskoper, som var i sving er ESOs Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) og VLT Survey Telescope (VST) på Paranalobservatoriet, det italienske Rapid Eye Mount (REM) teleskop på ESOs La Sillaobservatorium, LCO 0.4-meterteleskopet på Las Cumbres Observatoriet, og det amerikanske DECcam på Cerro Tololo Inter-American Observatory. Swope 1-metre telescope var det første, som kunne melde om et nyt lyspunkt på himlen. Det blev set meget tæt på NGC 4993, som er en linseformed galakse i stjernebilledet Hydra, og VISTA kunne næsten samtidig se den samme lyskilde i infrarødt lys. Som natten bevægede sig vestpå hen over jordkloden kunne de to teleskoper Pan-STARRS og Subaru på Hawaii også se med og følge, hvordan lyskilden hurtigt udviklede sig.

"Der er nogle sjældne tilfælde, hvor man så forsker har mulighed for at være vidne til starten af en ny æra," sagde Elena Pian, som er astronom ved INAF i Italien og hovedforfatter til en af artiklerne i Nature. "Det her er ét af dem!"

ESO iværksatte en af de største "target of opportunity" observationskampagner nogensinde, og mange teleskoper drevet af ESO og ESOs partnere fulgte objektet i de følgende uger[2]. Det drejer sig blandt andet om ES’s Very Large Telescope (VLT), New Technology Telescope (NTT), VST,  MPG/ESO 2.2-metre telescope, og Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) [3], som alle observerede hændelsen og hvad der efterfølgende skete i et bredt bølgelængdeområde. Omkring 70 observatorier over hele Verden var med i samarbejdet, inklusive NASA/ESA Hubble Space Telescope.

Vurderinger af afstanden baseret både på gravitationsbølgedata og andre observationer tyder på, at GW170817 har samme afstand som NGC 4993; omkring 130 millioner lysår fra Jorden. Det betyder både at kilden er den nærmeste, hvorfra der endnu er observeret gravitationsbølger og en af de nærmeste kilder til gammastråleudbrud[4].

De krusninger i rumtiden, som vi kalder gravitationsbølger skabes af masser i bevægelse, men kun de kraftigste kan vi indtil nu opfange. Det er dem, som skyldes hurtige hastighedsændringer for meget tunge objekter. En mulig hændelse er sammensmeltningen eller sammenstødet af to neutronstjerner - de meget tætte, sammenfaldne kerner fra tunge stjerner, som kan være tilbage efter en supernovaeksplosion[5]. Sammenstød af denne type har indtil nu været det bedste gæt på en forklaring af de korte udbrud af gammastråler. En følge af sammenstødet forventes at være en eksplosion omkring 1000 gange klarere end en typisk nova, så den har fået betegnelsen en kilonova.

The almost simultaneous detections of both gravitational waves and gamma rays from GW170817 raised hopes that this object was indeed a long-sought kilonova and observations with ESO facilities have revealed properties remarkably close to theoretical predictions. Kilonovae were suggested more than 30 years ago but this marks the first confirmed observation.

Når de to neutronstjerner smelter sammen sker der det udbrud af en sky af radioaktive tunge grundstoffer, som hurtigt spreder sig ud fra kilonovaen med hastigheder op mod en femtedel af lysets hastighed. Kilonovaens farve skftede fra meget blå til rød i løbet af de følgende få dage, og det er den hurtigste farveændring, som nogensinde er set ved nogen stjerneeksplosion.

"Da det her spektrum dukkede op på vores skærm, blev det klart for mig, at det her var den mest usædvanlige forandring, jeg nogensinde havde set," bemærkede Stephen Smartt, som stod i spidsen for observationerne med ESOs NTT som en del af observationsprogrammet Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects (ePESSTO). "Jeg havde aldrig set noget lignende. Vore data sammen med date fra andre grupper gjorde det indlysende for alle, at det her ikke var en supernova eller en nær variabel stjerne, men noget meget mere bemærkelsesværdigt."

Spektrer fra ePESSTO og VLT-instrumentet X-shooter antyder, at der findes cæsium og tellurium i det stof, som er kastet ud fra neutronstjernerne under sammenstødet. De tunge grundstoffer og andre, som dannes under sammen stødet blæses ud i rummet af den følgende kilonova. Observationerne her viser klart, at der dannes grundstoffer tungere end jern ved kernereaktioner inde i tætte stjernerester. Det er det, som kaldes r-process nucleosynthesis, og noget, som indtil nu udelukkende har været en teoretisk mulighed.

"De data vi indtil nu har fået, passer helt fantastisk godt med teorien.  Det er en triumf for teoretikerne, og en bekræftelse af, at det, som LIGO-VIRGO observerer er ægte nok. Det er også en stor ting, at ESO har samlet så stor en mængde fantastiske data på denne kilonova," tilføjer Stefano Covino, som er hovedforfatter på en af artiklerne i Nature Astronomy.

"ESOs store fordel er, at der er et bredt spektrum af teleskoper og instrumenter til rådighed. Med dem kan vi gå i kødet på store og indviklede projekter, og endda med meget kort varsel. Nu er vi kommet ind i en ny tid, som vi kunne kalde multi-messenger astronomi!" slutter Andrew Levan, som er hovedforfatter på en af de andre artikler.

Noter

[1] LIGO–Virgo målingen placerede kilden indenfor et område på himlen, som er omkring 35 kvadratgrader.

[2] Galaksen kunne kun observeres tidligt på aftenerne i august, og kom dernæst for tæt på retningen til Solen til at kunne observeres i september.

[3] På VLT blev der foretaget observationer med X-shooter spectrografen, som sidder ved Unit Telescope 2 (UT2); med FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) og Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) (NACO) på Unit Telescope 1 (UT1); med VIsible Multi-Object Spectrograph (VIMOS) og VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared (VISIR) på Unit Telescope 3 (UT3); og med Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) og High Acuity Wide-field K-band Imager (HAWK-I) på Unit Telescope 4 (UT4). VST anvendte OmegaCAM, og VISTA observerede med VISTA InfraRed CAMera (VIRCAM). Som en del af ePESSTO programmet, registrerede NTT spektrer i synligt lys med ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2 (EFOSC2) spektrografen og infrarøde spektrer med Son of ISAAC (SOFI) spektrografen. MPG/ESO 2,2-meterteleskopet observerede med instrumentet Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector (GROND).

[4] Det er den forholdsvis lille afstand imellem Jorden og de to neutronstjerner på 130 millioner lysår, som gør det muligt overhovedet at foretage disse observationer, for neutronstjerner, som støder sammen skaber svagere gravitationsbølger end når sorte huller støder sammen. De første fire registreringer af gravitationsbølger skyldes sandsynligvis den sidste slags hændelser.

[5] Når neutronstjerner kredser om hinanden i et binært system, mister de energi ved at udsende gravitationsbølger. De nærmer sig hinanden indtil noget af massen, når de til slut rører hinanden, omdannes til energi ved et voldsomt udbrud af gravitationsbølger, som det er vist med Einsteins berømte ligning E = mc²

Mere information

Forskningsresultaterne er offentliggjorte i en serie artikler i Nature, Nature Astronomy and Astrophysical Journal Letters.

Den lange liste med forskernes navne kan hentes i denne PDF fil.

ESO er den fremmeste fællesnationale astronomiorganisation i Europa, og verdens langt mest produktive jordbaserede astronomiske observatorium. 16 lande er med i ESO: Belgien, Brazilien, Danmark, Finland, Frankrig, Italien, Nederlandene, Polen, Portugal, Spanien, Sverige, Schweiz, Storbritannien, Tjekkiet, Tyskland og Østrig, og desuden værtsnationen Chile. ESO har et ambitiøst program, som gør det muligt for astronomer at gøre vigtige videnskabelige opdagelser. Programmet har focus på design, konstruktion og drift af stærke jordbaserede observatorier. Desuden har ESO en ledende rolle i formidling og organisering af samarbejde omkring astronomisk forskning. ESO driver tre enestående observatorier i verdensklasse i Chile: La Silla, Paranal og Chajnantor. På Paranal driver ESO VLT, Very Large Telescope, som er verdens mest avancerede observatorium for synligt lys, samt to oversigtsteleskoper. VISTA, som observerer i infrarødt, er verdens største oversigtsteleskop, og VLT Survey Teleskopet er det største teleskop bygget til at overvåge himlen i synligt lys. ESO er en af de største partnere i ALMA, som er det største eksisterende astronomiprojekt. For tiden bygges ELT, et 39 m optisk og nærinfrarødt teleskop på Cerro Armazones, tæt ved Paranal. Det bliver "verdens største himmeløje".

LIGO finansieres af NSF, og drives af Caltech og MIT. De to institutioner startede og styrede LIGO og projekterne Initial og Advanced LIGO. Økonomisk støtte til projektet Advanced LIGO project kommer fra NSF i samarbejde med Tyskland(Max Planck Society),  U.K. (Science and Technology Facilities Council) og Australien (Australian Research Council) , som alle har ydet væsentlige bidrag til projektet. Der er mere end 1200 forskere Verden over, som er med i LIGO samarbejdet, som også omfatter GEO Collaboration. De yderligere partnere kan man finde i listen her: http://ligo.org/partners.php.

Virgo-samarbejde består af mere end 280 fysikere og ingeniører fra 20 forskellige europæiske forskningsgrupper: seks fra Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Fankring, otte fra Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) i Italien, to fra Nederlandene med Nikhef; MTA Wigner RCP i Ungarn, POLGRAW gruppen i Polen; Spanien med Universitetet i Valencia og European Gravitational Observatory, EGO, som er det laboratorium, hvor Virgo detektoren befinder sig, nær Pisa i Italien, finansieret af CNRS, INFN og Nikhef.

Links

• Forskerholdene (PDF fil, 184 KB)
• FAQ (PDF fil, 105 KB)
• Faktaark
• Forskningsartikel 1: “Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger”, af E. Pian et al. i Nature. (PDF file, 196 KB)
• Forskningsartikel 2: “The emergence of a lanthanide-rich kilonova following the merger of two neutron stars”, af N. R. Tanvir et al. i Astrophysical Journal Letters (PDF file, 843 KB)
• Forskningsartikel 3: “The electromagnetic counterpart to a gravitational wave source unveils a kilonova”, af S. J. Smartt et al. i Nature (PDF file, 9 MB)
• Forskningsartikel 4: “The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817”, af S. Covino et al. i Nature Astronomy (PDF file, 230 KB)
• Forskningsartikel 5: “The Distance to NGC 4993 — The host galaxy of the gravitational wave event GW17017”, af J. Hjorth et al. i Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.4 MB)
• Forskningsartikel 6: “The environment of the binary neutron star merger GW170817”, af A. J. Levan et al. i Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.6 MB)
• LIGO pressemeddelelsen
• ESA/Hubble pressemeddelelsen
• Video of ESOs Pressekonference (16. oktober 2017)

 

Kontakter

Stephen Smartt
Queen’s University Belfast
Belfast, United Kingdom
Tel: +44 7876 014103
E-mail: s.smartt@qub.ac.uk

Elena Pian
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Bologna, Italy
Tel: +39 051 6398701
E-mail: elena.pian@inaf.it

Andrew Levan
University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel: +44 7714 250373
E-mail: A.J.Levan@warwick.ac.uk

Nial Tanvir
University of Leicester
Leicester, United Kingdom
Tel: +44 7980 136499
E-mail: nrt3@leicester.ac.uk

Stefano Covino
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Merate, Italy
Tel: +39 02 72320475
Mobil: +39 331 6748534
E-mail: stefano.covino@brera.inaf.it

Marina Rejkuba
ESO Head of User Support Department
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6453
E-mail: mrejkuba@eso.org

Samaya Nissanke
Radboud University
Nijmegen, The Netherlands
E-mail: samaya@astro.ru.nl

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Ole J. Knudsen (Pressekontakt Danmark)
ESOs formidlingsnetværk og Aarhus Space Centre, Aarhus Universitet
Aarhus, Danmark
Tel: +45 8715 5597
E-mail: eson-denmark@eso.org

Connect with ESO on social media

Dette er en oversættelse af ESO pressemeddelelse eso1733 lavet af ESON - et netværk af personer i ESOs medlemslande, der er kontaktpunkter for medierne i forbindelse med ESO nyheder, pressemeddelelser mm.