Zwarte gaten zorgen niet altijd voor gammastraaluitbarstingen, blijkt uit nieuw onderzoek

[univers]

Ruimtewetenschappers moeten mogelijk heroverwegen hoe GRB's worden gevormd nadat uit onderzoek blijkt dat supramassieve sterren soms deze enorme extragalactische uitbarstingen van energie veroorzaken.


Een artistieke impressie van een gammastraaluitbarsting die wordt aangedreven door een neutronenster. Credits: Nuria Jordana-Mitjans

Gammastraaluitbarstingen (GRB's) zijn gedetecteerd door satellieten die in een baan om de aarde draaien als lichtflitsen van de meest energetische gammastraling die milliseconden tot honderden seconden duren. Deze catastrofale ontploffingen vinden plaats in verre sterrenstelsels, miljarden lichtjaren verwijderd van de aarde.

Een subtype van GRB dat bekend staat als een GRB van korte duur, begint te leven wanneer twee neutronensterren botsen. Deze ultradichte sterren hebben de massa van onze zon gecomprimeerd tot de helft van de grootte van een stad als Londen, en in de laatste momenten van hun leven, net voordat ze een GRB veroorzaken, genereren ze rimpelingen in ruimte-tijd - bij astronomen bekend als zwaartekracht golven.

Tot nu toe zijn ruimtewetenschappers het er grotendeels over eens dat de 'motor' die zulke energetische en kortstondige uitbarstingen aandrijft, altijd afkomstig moet zijn van een nieuw gevormd zwart gat (een gebied van ruimte-tijd waar de zwaartekracht zo sterk is dat niets, zelfs licht niet, kan eraan ontsnappen). Nieuw onderzoek door een internationaal team van astrofysici onder leiding van dr. Nuria Jordana-Mitjans aan de Universiteit van Bath stelt deze wetenschappelijke orthodoxie echter ter discussie.

Volgens de bevindingen van de studie worden sommige GRB's van korte duur veroorzaakt door de geboorte van een supramassieve ster (ook wel bekend als een overblijfsel van een neutronenster) en niet door een zwart gat.

Dr. Jordana-Mitjans zei: "Dergelijke bevindingen zijn belangrijk omdat ze bevestigen dat pasgeboren neutronensterren sommige GRB's van korte duur kunnen aandrijven en de heldere emissies in het elektromagnetische spectrum die daarbij zijn gedetecteerd. Deze ontdekking kan een nieuwe manier bieden om samensmeltingen van neutronensterren, en dus emitters van zwaartekrachtgolven, te lokaliseren wanneer we de hemel afzoeken naar signalen.”

Concurrerende theorieën
Er is veel bekend over GRB's van korte duur. Ze beginnen te leven wanneer twee neutronensterren, die steeds dichterbij zijn gekomen, constant versnellen, uiteindelijk crashen. En vanaf de plaats van de crash laat een straalexplosie de gammastraling vrij die een GRB maakt, gevolgd door een langduriger nagloeien. Een dag later produceert het radioactieve materiaal dat tijdens de explosie alle kanten op werd uitgestoten, wat onderzoekers een kilonova noemen.

Maar wat er precies overblijft nadat twee neutronensterren botsen – het 'product' van de crash – en dus de krachtbron die een GRB zijn buitengewone energie geeft, is al lang een punt van discussie. Wetenschappers zijn nu misschien dichter bij het oplossen van dit debat, dankzij de bevindingen van de door Bath geleide studie.

Ruimtewetenschappers zijn verdeeld over twee theorieën. Volgens de eerste theorie smelten neutronensterren samen tot een extreem massieve neutronenster, waarna deze ster vervolgens in een fractie van een seconde instort tot een zwart gat. De tweede stelt dat de twee neutronensterren zouden resulteren in een minder zware neutronenster met een hogere levensverwachting.

Dus de vraag die astrofysici al tientallen jaren bezighoudt, is deze: worden GRB's van korte duur aangedreven door een zwart gat of door de geboorte van een langlevende neutronenster?

Tot op heden hebben de meeste astrofysici de theorie van het zwarte gat ondersteund en zijn ze het erover eens dat om een ​​GRB te produceren, de massieve neutronenster vrijwel onmiddellijk moet instorten.

Elektromagnetische signalen
Astrofysici leren over neutronensterbotsingen door de elektromagnetische signalen van de resulterende GRB's te meten. Het signaal dat afkomstig is van een zwart gat zal naar verwachting verschillen van dat van een overblijfsel van een neutronenster.

Het elektromagnetische signaal van de GRB die voor deze studie werd onderzocht (genaamd GRB 180618A) maakte Dr. Jordana-Mitjans en haar medewerkers duidelijk dat een neutronensterrestant in plaats van een zwart gat aanleiding moet hebben gegeven tot deze uitbarsting.

Dr. Jordana-Mitjans zei verder: "Voor de eerste keer benadrukken onze waarnemingen meerdere signalen van een overlevende neutronenster die minstens één dag leefde na de dood van de oorspronkelijke neutronenster-dubbelster."

Professor Carole Mundell , co-auteur van de studie en professor in extragalactische astronomie in Bath, waar ze de Hiroko Sherwin-leerstoel in extragalactische astronomie bekleedt, zei: "We waren verheugd om het zeer vroege optische licht van deze korte gammastraaluitbarsting te vangen - iets dat is nog steeds grotendeels onmogelijk zonder een robottelescoop te gebruiken. Maar toen we onze voortreffelijke gegevens analyseerden, ontdekten we tot onze verbazing dat we het niet konden verklaren met het standaard snel instortende zwarte gatenmodel van GRB's.

"Onze ontdekking opent nieuwe hoop voor aanstaande hemelonderzoeken met telescopen zoals de Rubin Observatory LSST waarmee we signalen kunnen vinden van honderdduizenden van dergelijke langlevende neutronensterren, voordat ze instorten om zwarte gaten te worden."

Verdwijnende nagloed
Wat de onderzoekers aanvankelijk verbaasde, was dat het optische licht van de nagloed die volgde op GRB 180618A al na 35 minuten verdween. Verdere analyse toonde aan dat het materiaal dat verantwoordelijk was voor zo'n korte emissie bijna met de snelheid van het licht uitbreidde vanwege een bron van continue energie die het van achteren duwde.

Wat meer verrassend was, was dat deze emissie de afdruk had van een pasgeboren, snel ronddraaiende en sterk gemagnetiseerde neutronenster, een milliseconde magnetar genaamd. Het team ontdekte dat de magnetar na GRB 180618A het overgebleven materiaal van de crash opnieuw opwarmde terwijl het langzamer ging.

In GRB 180618A was de door magnetar aangedreven optische emissie duizend keer helderder dan verwacht van een klassieke kilonova.

https://www.bath.ac.uk/announcements/bl ... rch-shows/