Pressmeddelande

ESO:s teleskop såg ljuset från gravitationsvågskälla

Neutronstjärnor som slås samman kastar ut guld och platina i rymden

16 oktober 2017

ESO:s många teleskop i Chile har registrerat det första synliga ljuset från en källa för gravitationsvågor. De historiska observationerna tyder på att den unika ljuskällan skapats av två neutronstjärnor som slagits samman. Tack vare de kataklysmiska efterdyningar till sådana sammanslagningar sprids tunga grundämnen som guld och platina genom universum, tror forskare. Upptäckten av denna länge förutspådda fenomen, en så kallad kilonova, ger också det starkaste beviset hittills att korta gammablixtar skapas när neutronstjärnor går samman. Rönen publiceras i flera forskningsartiklar i bland annat i tidskriften Nature.

För första gången har astronomer observerat både gravitationsvågor och ljus – elektromagnetisk strålning – från samma händelse i rymden. Upptäckten har kunnat göras tack vare en global och snabbfotad samarbetsinsats vid ESO:s forskningsanläggningar och många andra världen runt.

Den 17 augusti 2017 registrerades gravitationsvågor som passerade jorden av NSF:s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA och Virgo-interferometern i Italien. Händelsen, bara den femte som någonsin upptäckts, fick beteckningen GW170817. Cirka två sekunder senare upptäcktes en kortvarig gammablixt från samma område på himlen av två rymdteleskop, NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope och ESA:s INTEGRAL (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory).

Observatorienätverket LIGO-Virgo kunde lokalisera källan till ett större område av den södra himlen. Med en storlek som motsvarar flera hundra fullmånar innehåller området miljontals stjärnor [1]. Vid mörkrets inbrott började många teleskop i Chile rikta sig mot denna del av himlen för att söka efter nya källor. Bland teleskopen fanns ESO:s kartläggningsteleskop VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) och VST (VLT Survey Telescope) vid Paranalobservatoriet, det italienska teleskopet Rapid Eye Mount (REM) vid ESO:s La Sillaobservatorium, Las Cumbres-observatoriets 0.4-meterteleskop och det amerikanska DECcam vid Cerro Tololo Inter-American Observatory. Först med att meddela upptäckten av en ny ljuspunkt blev enmetersteleskopet Swope 1. Den nya källan lyste upp intill galaxen NGC 4993, en linsformad galax i stjärnbilden Vattenormen. Nästan samtidigt kunde observationer i infrarött ljus med VISTA fastslå samma position. Allt eftersom jorden snurrade och natten fortsatte österut kunde sedan teleskopen Pan-STARRS och Subaru i Hawaii ta över och såg hur den nya ljuspunkten snabbt utvecklades.

Elena Pian, astronom vid INAF i Italien, är förstaförfattare till en av forskningsartiklarna som publicerats i tidskriften Nature.

– Det finns sällsynta tillfällen när en forskare har chansen att bevittna en ny tid från sin början. Detta är ett sådant tillfälle! säger hon.

Den snabba observationskampanjen som ESO drog igång blev en av de största i sitt slag i organisationens historia. Under veckan efter upptäckten tillkom många teleskop tillhörande ESO och dess partners som observerade den nya källan [2]. ESO:s Very Large Telescope (VLT), New Technology Telescope (NTT), VST, MPG/ESO:s 2.2-meterteleskop, och ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) [3] studerade alla händelsen och dess efterdyningar över ett brett spektrum av våglängder. Omkring 70 andra observatorier runt om i världen observerade händelsen, och det gjorde även NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble.

Samstämmiga uppskattningar utifrån både gravitationsvågorna och andra observationer placerar källan GW170817 på samma avstånd som galaxen NGC 4993, som ligger cirka 130 miljoner ljusår från jorden. Därmed är den både den närmaste gravitationsvågskällan som hittills upptäckts och även en av de närmaste gammablixtarna som skådats [4].

De krusningar i rumtiden som kallas gravitationsvågor skapas av massor i rörelse. Idag kan bara de allra mest intensiva gravitationsvågorna upptäckas: sådana som alstras av snabba hastighetsförändringar hos väldigt massiva objekt. Ett exempel är när två neutronstjärnor, de extremt tätpackade, kollapsade kärnorna från massiva stjärnor som lämnats efter en supernova [5], slås samman. Sådana sammanslagningar har hittills varit den ledande hypotesen för att förklara kortvariga gammablixtar. De väntas också följas av ljusstarka explosioner. En sådan explosion väntas lysa tusen gånger starkare ljusare än en typisk nova och kallas därför kilonova.

De nästan samtidiga observationerna av både gravitationsvågor och gammastrålning från GW170817 ingav hopp om att detta objekt verkligen var en länge eftersökt kilonova. Nu har observationer med ESO-instrument också avslöjat att dess egenskaper är anmärkningsvärt lika vad forskarnas teorier hade förutspått. Detta skulle kunna vara den första bekräftade observationen sedan idén om kilonovor föreslogs för mer än 30 år sedan.

Efter att de två neutronstjärnorna slagits samman kastades tunga, radioaktiva grundämnen ut från explosionen med hastigheter på upp till en femtedel av ljusets hastighet. Kilonovans färg skiftade från väldigt blå till väldigt röd under de kommande dagarna. Förändringen var snabbare än vad forskarna sett i någon annan stjärnexplosion.

Stephen Smartt ledde observationerna med ESO:s NTT som en del av det utvidgade observationsprogrammet Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects (ePESSTO).

– När spektrumet dök upp på våra skärmar insåg jag att detta var den mest ovanliga tillfälliga källa som jag någonsin skådat. Jag hade aldrig sett något liknande. Våra mätningar, tillsammans med data från andra forskargrupper, har visat för alla att detta var inte en supernova eller en föränderlig stjärna i förgrunden, utan något alldeles speciellt, berättar han.

Spektrum från både ePESSTO-projektet och VLT:s instrument X-shooter tyder på att i materialet som kastades ut från de sammansmältande neutronstjärnorna finns både cesium och tellurium. Dessa och andra tyngre grundämnen tros tillverkas när neutronstjärnorna slås samman, men kastas ut i rymden i den efterföljande kilonova-explosionen. Observationerna pekar på att grundämnen tyngre än järn kan snabbt bildas med en särskild sorts kärnreaktioner – nukleosyntes genom r-processen – i de allra mest tätpackade stjärnorna och liknande objekt. Processen har tidigare endast varit ett ämne för teoretiker.

Stefano Covino är förstaförfattare till en av två forskningsartiklar som publiceras i Nature Astronomy.

– De mätningarna vi har hittills är en otroligt nära matchning till teorin. Det är en triumf för teoretiker, en bekräftelse att vad LIGO-VIRGO skådat är verkligt, och en prestation för ESO att ha samlat in sådana häpnadsväckande mätdata från kilonovan, säger han.

Andrew Levan är förstaförfattare till en av artiklarna.

– ESO:s stora styrka är att det har ett brett utbud av teleskop och instrument som kan ta sig an stora och komplexa astronomiprojekt, och det också med kort varsel. Vi har gått in i en ny tid av multibärarastronomi.

 

Noter

[1] Med mätningen från LIGO-Virgo kunde källan lokaliseras inom ett område av himlen som är cirka 35 kvadratgrader stort.

[2] Galaxen kunde endast observeras på kvällen i augusti. I september låg solen för nära den på himlen för att den skulle kunna observeras.

[3] Vid VLT gjordes observationerna med följande instrument: spektrografen X-shooter på enhetsteleskop 2 (UT2); FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) och Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) (NACO) på enhetsteleskop 1 (UT1); VIsible Multi-Object Spectrograph (VIMOS) och VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared (VISIR) på enhetsteleskop 3 (UT3); samt Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) och High Acuity Wide-field K-band Imager (HAWK-I) på enhetsteleskop 4 (UT4). VST och VISTA observerade med sina kameror OmegaCAM respektive VISTA InfraRed CAMera (VIRCAM). Inom ramarna för ePESSTO-programmet samlade NTT in spektrum i synligt ljus med spektrografen EFOSC2 (ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2) och i infrarött ljus med spektrografen SOFI (Son of ISAAC). MPG/ESO:s 2,2-meterteleskop observerade med instrumentet GROND (Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector).

[4] Det är tack vare det relativt korta avståndet mellan jorden och de sammansmältande neutronstjärnorna, 130 miljoner ljusår, som gjorde observationerna möjligt. När de slås samman alstrar neutronstjärnor svagare gravitationsvågor än när samma sak drabbar två svarta hål. Det är sammansmältande svarta hål som tros ligga bakom de första fyra gravitationsvågsupptäckterna som gjorts.

[5] När neutronstjärnor kretsar kring varandra i ett dubbelstjärnesystem förlorar de energi genom att sända ut gravitationsvågor. De närmar sig varandra tills de slutligen möts och en del av massan från stjärnresterna omvandlas till energi i ett våldsamt utbrott av gravitationsvågor. Energiomvandlingen sker enligt Einsteins berömda ekvation E=mc².

Mer information

Forskningsresultaten presenteras i en serie av artiklar som publiceras i tidskrifterna Nature, Nature Astronomy och Astrophysical Journal Letters.

En fullständig förteckning av medlemmarna i forskningslagen finns i denna pdf-fil.

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 16 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop. VISTA arbetar i infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop och VST (VLT Survey Telescope) är det största teleskopet som konstruerats enbart för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO är en huvudpartner i ALMA, världens hittills största astronomiska projekt. Och på Cerro Armazones, nära Paranal, bygger ESO det europeiska extremt stora 39-metersteleskopet för synligt och infrarött ljus, E-ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

LIGO finansieras av NSF och drivs av Caltech samt MIT, som grundade LIGO och ledde de inledande och avancerade LIGO-projekten. Finansiellt stöd för de avancerade LIGO-projekten leddes av NSF, men Tyskland (Max Planck Society), Storbritannien (Science and Technology Facilities Council) och Australien (Australian Research Council) gjorde betydande åtaganden och bidrag till projektet. Mer än 1200 forskare världen runt deltar i insatsen genom LIGO Scientific Collaboration, som inkluderar GEO Collaboration. Ytterligare partners listas här.

Virgo-samarbetet består av mer än 280 fysiker och ingenjörer som tillhör 20 olika europeiska forskningsgrupper: sex från Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Frankrike; åtta från Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) i Italien; två från Nederländerna med Nikhef; MTA Wigner RCP i Ungern; POLGRAW-gruppen i Polen, Valencias universitet från Spanien; och European Gravitational Observatory (EGO), laboratoriet som är värd till Virgo-detektorn utanför Pisa i Italien, finansierad CNRS, INFN och Nikhef.

Länkar

• Pressmeddelande från LIGO

Kontakter

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

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

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

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

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

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

Samaya Nissanke
Radboud University
Nijmegen, The Netherlands
E-post: 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-post: rhook@eso.org

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso1733 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.