Kosmisk kollision avslöjar universums mysterier

Med gravitationsvågor kan astronomerna se universum på ett nytt sätt

När den första observationen av gravitationsvågor offentliggjordes i februari 2016 inleddes en ny era inom astronomin. Astronomerna hade nu fått ett nytt verktyg i sin verktygslåda och jakten på något att använda det till satte igång.
Och sommaren 2017 hittades det - en våldsam kollision mellan två neutronstjärnor.
Med hjälp av gravitationsvågor och elektromagnetisk strålning har astronomer hittat svar på flera frågor om hur universum fungerar. Men också fått nya mysterier på halsen.

Den observerade kollisionen mellan två neutronstjärnor är det första astronomiska fenomen som studerats med hjälp av både gravitationsvågor (till vänster) och elektromagnetiska vågor som vanligt ljus (till höger). Tack vare detta genombrott för astronomin kan frågor som tidigare gäckat astronomerna nu besvaras. Bild: Karan Jani/Georgia Tech

Den observerade kollisionen mellan två neutronstjärnor är det första astronomiska fenomen som studerats med hjälp av både gravitationsvågor (till vänster) och elektromagnetiska vågor som vanligt ljus (till höger). Tack vare detta genombrott för astronomin kan frågor som tidigare gäckat astronomerna nu besvaras. Bild: Karan Jani/Georgia Tech

I augusti 2017 snappades en ny typ av gravitationsvågor upp. Medan de första gravitationsvågor som observerades kom från två kolliderande svarta hål överensstämmer den senaste observationen för första gången med gravitationsvågor från en kollision mellan två neutronstjärnor.

– Detektionen av gravitationsvågor från en sammanslagning av två neutronstjärnor är något vi förberett oss för i flera årtionden, menar LIGO-forskaren Alan Weinstein.

Det mest sensationella var emellertid att det var första gången någonsin som en detektion av gravitationsvågor åtföljdes av mer traditionella observationer.

– Den här detektionen öppnar upp för en länge efterlängtad astronomi med flera budbärare. Det är första gången vi observerat både gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor från en kataklysmisk astrofysisk händelse. Astronomi med gravitationsvågor ger oss nya möjligheter att förstå neutronstjärnornas egenskaper på ett sätt som inte är möjligt med endast elektromagnetisk astronomi, säger David Reitze från LIGO-projektet.

Utöver observatorier av gravitationsvågor sågs kollisionen och den resulterande explosionen, som brukar kallas för en kilonova, av omkring 70 astronomiska observatorier på marken och i rymden. Dessa inkluderade allt från radioteleskop till röntgenteleskop och teleskop för gammastrålning.

De gravitationsvågor som detekterades varade i ungefär 100 sekunder. Tidigare gravitationsvågor som observerats passerade på en bråkdels sekund. Genom att analysera signalen kunde både neutronstjärnornas massor och avstånd bestämmas. Linjen visar hur vågornas frekvens ökade ju närmare neutronstjärnorna kom varandra. Bild: LIGO

De gravitationsvågor som detekterades varade i ungefär 100 sekunder. Tidigare gravitationsvågor som observerats passerade på en bråkdels sekund. Genom att analysera signalen kunde både neutronstjärnornas massor och avstånd bestämmas. Linjen visar hur vågornas frekvens ökade ju närmare neutronstjärnorna kom varandra. Bild: LIGO

Dominoeffekt

Dominobrickorna började falla då Nasa:s Fermi Gamma-ray Space Telescope, ett rymdteleskop som ser den mest energirika strålningen i universum, observerade gammastrålning i form av en kort gammablixt från en avlägsen källa. Detta var i sig inte så ovanligt då åtskilliga gammablixtar av det här slaget observeras varje år, men man insåg snart att observationen sammanföll med att det amerikanska forskningsprojektet LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatories) vid sin detektor i delstaten Washington mindre än två sekunder tidigare registrerat gravitationsvågor som visade sig komma från en kollision mellan två neutronstjärnor.

Efter ett antal observationer av gravitationsvågor från kolliderande svarta hål har astronomerna nu för första gången observerat gravitationsvågor från en kataklysmisk kollision mellan två neutronstjärnor. Kollisionen frigjorde enorma mängder energi och resulterade i gravitationsvågor, gammablixtar och flera andra typer av elektromagnetisk strålning som kunde observeras från jorden. Bild: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Efter ett antal observationer av gravitationsvågor från kolliderande svarta hål har astronomerna nu för första gången observerat gravitationsvågor från en kataklysmisk kollision mellan två neutronstjärnor. Kollisionen frigjorde enorma mängder energi och resulterade i gravitationsvågor, gammablixtar och flera andra typer av elektromagnetisk strålning som kunde observeras från jorden. Bild: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

- Vi kom snabbt fram till att de två stjärnorna inte hade mer än omkring två gånger solens massa vardera, vilket betyder att de är i det typiska massområdet för neutronstjärnor, förklarar Alan Weinstein.

Därefter kallades omedelbart en rad andra teleskop, inklusive det rymdbaserade röntgenteleskopet Chandra, radioteleskopet Very Large Array i New Mexico och Hubble-teleskopet, in för att ta reda på mer om den kosmiska händelsen som fick namnet GW170817.

Eftersom varje del av det elektromagnetiska spektrumet talar om olika saker för oss om kollisionen betyder det faktum att astronomerna lyckades observera allt från radiovågor till gammastrålning att de kan få en komplett bild av allt som hände från det ögonblick då neutronstjärnorna störtade in i varandra. I kombination med gravitationsvågornas information om de inblandade massorna - som är osynliga för traditionella teleskop - är den bild av händelsen som framträder mer komplett än för någon tidigare händelse i astronomins historia.

Signalanalys

LIGO-projektets två L-formade detektorer består av två flera kilometer långa armar, där laserljus som delats upp i två strålar färdas fram och tillbaka. Då detektorerna träffas av en gravitationsvåg, som är en krusning i själva rumtiden, förändras armarnas längd. Även om förändringen är extremt liten får den laserstrålarna att förflytta sig i och ur fas med varandra, vilket gör att de ömsom tar ut och ömsom förstärker varandra och på så vis bildar ett interferensmönster.

Medan de signaler från kolliderande svarta hål som detekterats tidigare endast varat en bråkdels sekund registrerades den här gången en ungefär 100 sekunder lång signal, som fram tills den upphörde ökade i frekvens.

Förutom LIGO-detektorn i delstaten Washington togs signalen även emot vid projektets andra detektor i Louisiana, men på grund av ett tekniskt fel rapporterades inte denna observation direkt.

En matematisk analys av den signal som nådde de båda detektorerna avslöjade att den skulle förklaras perfekt av gravitationsvågor från två neutronstjärnor med massor på mellan 1,1 och 1,6 gånger solens på 130 miljoner ljusårs avstånd som cirklade närmare och närmare varandra för att till sist kollidera. Astronomerna kunde även konstatera att de två neutronstjärnorna troligtvis slogs samman till ett svart hål med en massa på strax under tre solmassor, vilket gör det mindre än något tidigare känt svart hål.

På grund av att signalen upphörde så fort de drabbade samman är det emellertid svårt att vara säker och det är möjligt att de först bildade en hypermassiv eller supermassiv neutronstjärna. Efter mellan en bråkdels sekund och några timmar bör den i vilket fall ha kollapsat till ett svart hål.

Liten plätt

Utöver de två LIGO-detektorerna i USA spelade även Virgo, som är en detektor för gravitationsvågor i Italien, en viktig roll. Eftersom Virgo endast tog emot en mycket svag signal, vilket innebär att källan måste ha befunnit sig i en av detektorns döda vinklar, kunde nämligen ursprunget till signalen bestämmas mer exakt än vad som varit möjligt med hjälp av bara signalerna från LIGO-projektet och man kunde på så vis konstatera att gravitationsvågorna kom från en relativt liten plätt på den södra stjärnhimlen.

Det betyder att gravitationsvågornas källa kunde lokaliseras med den än så länge högsta precision som åstadkommits, och Virgos talesman Jo van den Brand menar att det var denna rekordhöga precision som gjorde det möjligt för astronomerna att följa upp detektionen med andra observationer.

– Det här resultatet är ett utmärkt exempel på effektiviteten av lagarbete, vikten av att samordna och värdet av vetenskapligt samarbete, säger Federico Ferrini, som är chef för EGO (European Gravitational Observatory).

LIGO-projektets detektorer observerade 2015 för första gången teoretiskt förutspådda gravitationsvågor från en kollision mellan två svarta hål. Bild: Caltech/MIT/LIGO Lab

LIGO-projektets detektorer observerade 2015 för första gången teoretiskt förutspådda gravitationsvågor från en kollision mellan två svarta hål. Bild: Caltech/MIT/LIGO Lab

Avslöjande gammablixt

Astronomerna har känt till gammablixtar, kortvariga men oerhört intensiva pulser av gammastrålning, sedan 1960-talet. Fermi Gamma-ray Space Telescope observerar idag omkring 240 gammablixtar om året. De delas in i korta gammablixtar som varar i mindre än två sekunder, och långa gammablixtar som varar i mer än två sekunder.

Det är tydligt att gammablixtar måste orsakas av någonting som ger ifrån sig enorma mängder energi inom ett litet utrymme och på kort tid, och astronomernas teori har länge varit att de korta gammablixtarna uppstår till följd av kolliderande neutronstjärnor. Men det har fram tills nu inte funnits något sätt att avgöra om detta stämmer eller inte.

– Vi har misstänkt i årtionden att korta gammablixtar drivs av sammanslagningar av neutronstjärnor. Nu har vi svaret, säger Julie McEnery som arbetar med Fermi Gamma-ray Space Telescope.

Eftersom den observerade gammablixten och gravitationsvågorna från neutronstjärnornas sammanslagning anlände inom två sekunder från varandra bekräftar upptäckten även att gravitationsvågor, precis som Albert Einsteins allmänna relativitetsteori förutspår, färdas med ljusets hastighet.

Neutronstjärnor är de mest kompakta objekt som observerats direkt och rymmer massan hos en halv miljon jordklot i en sfär i storlek med en större stad. Bild: Nasa:s Goddard Space Flight Center

Neutronstjärnor är de mest kompakta objekt som observerats direkt och rymmer massan hos en halv miljon jordklot i en sfär i storlek med en större stad. Bild: Nasa:s Goddard Space Flight Center

Ingen fullträff

Men alla resultat stämde inte lika bra överens med astronomernas förväntningar. Till exempel var de förvånade över det faktum att kollisionen inte ägde rum mer än 130 miljoner ljusår bort, vilket betyder att gammablixten var mer än tio gånger närmare än någon annan gammablixt som de kunnat mäta avståndet till, och att den trots det ringa avståndet var ganska svag.

En tänkbar förklaring till den svaga gammablixten är enligt astronomernas modeller att den inte var riktad rakt mot oss på det vis som de vanligtvis är då gammablixtar observeras.
– Det är som en ficklampa som bländar dig om du tittar rakt in i den, men ser svagare ut om du tittar på den från en lite annan vinkel, säger Julie McEnery.

Denna förklaring stöds också av att astronomerna inte såg någon röntgenstrålning från kollisionen förrän nio dagar senare. Om en stråle av partiklar varit riktad direkt mot jorden skulle vi nämligen ha träffats av röntgenstrålning på samma gång som gammastrålningen sköljde över oss. Fördröjningen tyder på att partiklar bromsats in och spridits ut för att senare avge röntgenstrålning.

Även de radiovågor som observerades sexton dagar efter kollisionen förklaras bäst av att ingen av de strålar av partiklar som de kolliderande neutronstjärnorna gav upphov till pekade direkt mot jorden.

Gravitationsvågsdetektorn Virgo ligger precis utanför Pisa i Italien. De båda vinkelräta armarna är tre kilometer långa. Genom att skicka laserstrålar som speglas genom de båda armarna går det att se om rymden förvrängts i någon riktning, vilket är vad som hände när en gravitationsvåg träffade instrumentet. Bild: Virgo collaboration

Gravitationsvågsdetektorn Virgo ligger precis utanför Pisa i Italien. De båda vinkelräta armarna är tre kilometer långa. Genom att skicka laserstrålar som speglas genom de båda armarna går det att se om rymden förvrängts i någon riktning, vilket är vad som hände när en gravitationsvåg träffade instrumentet. Bild: Virgo collaboration

Kosmisk guldgruva

När synligt ljus, följt av ultraviolett och infrarött ljus, nådde teleskopen omkring elva timmar senare kunde platsen för kilonovaexplosionen bestämmas - galaxen NGC 4993.

Dessutom hjälpte ljuset till att lösa ytterligare ett mysterium. Astronomerna har länge känt till att grundämnen tyngre än järn tillverkas i supernovor, men supernovor kan inte på egen hand producera tillräckligt mycket tunga grundämnen för att förklara de mängder vi ser omkring oss. Faktum är att astronomerna haft problem att svara på var omkring hälften av de tunga grundämnena kommer ifrån. Men ljuset från explosionen bar med sig information om den kemiska sammansättningen i materialet som kastades ut. Astronomerna kunde där se tecken på att fria neutroner slogs ihop med atomkärnor och bildade tunga isotoper av grundämnen. Efter betasönderfall - en process där en elektron avges och en neutron förvandlas till en proton - bildades nya och tyngre grundämnen med högre atomnummer.

Att sådana här kollisioner ger upphov till en sådan process och att många tunga grundämnen bildas vid kollisioner mellan neutronstjärnor har man misstänkt länge, men nu fanns det alltså en bekräftelse på det.

– För första gången någonsin ser vi otvetydiga bevis för en kosmisk gruva som skapar mer än 10 000 jordmassor av tunga grundämnen, som guld, platina och neodym, säger Caltech-astronomen Mansi Kasliwal.

Gammablixtar är kortvariga men mycket intensiva pulser av gammastrålning som bara kan utlösas av extremt kraftfulla kosmiska händelser. Tack vare att en gammablixt observerades i samband med gravitationsvågorna från de kolliderande neutronstjärnorna vet vi nu att de hänger ihop med dessa explosiva kollisioner. Det har astronomer misstänkt länge, men inte kunnat bevisa. Bild: Nasa/ Swift/Cruz deWilde

Gammablixtar är kortvariga men mycket intensiva pulser av gammastrålning som bara kan utlösas av extremt kraftfulla kosmiska händelser. Tack vare att en gammablixt observerades i samband med gravitationsvågorna från de kolliderande neutronstjärnorna vet vi nu att de hänger ihop med dessa explosiva kollisioner. Det har astronomer misstänkt länge, men inte kunnat bevisa. Bild: Nasa/ Swift/Cruz deWilde

Universums expansionshastighet

De unika observationerna av neutronstjärnornas kollision skulle även kunna hjälpa astronomerna att besvara en av de mest grundläggande frågorna om universum, nämligen hur fort det egentligen expanderar.

Universums expansion medför att de galaxer vi ser rör sig bort från oss med högre hastighet ju längre bort de befinner sig. Universums nuvarande expansionshastighet beskrivs av den så kallade Hubblekonstanten, som har olika värden beroende på vilken metod som används för att mäta den.

Mätningar som utnyttjar den kosmiska bakgrundsstrålningen - universums äldsta ljus - för att bestämma Hubblekonstanten ger astronomerna ett värde på cirka 68 kilometer per sekund och megaparsec. Det innebär att galaxer för varje megaparsec (3,26 miljoner ljusår) de befinner sig från jorden avlägsnar sig från oss med 68 kilometer per sekund högre hastighet. Andra mätningar som baserar sig på observationer av ett stort antal galaxer resulterar däremot i ett värde på cirka 73 kilometer per sekund och megaparsec.

GW170817 visar nu att man istället skulle kunna använda kollisioner mellan neutronstjärnor för att mäta värdet på Hubblekonstanten, på ett sätt som är oberoende av andra mätmetoder. Neutronstjärnekollisioner fungerar nämligen som så kallade standardsirener - de ger ifrån sig en förutsägbar mängd energi i form av gravitationsvågor. Det ger en möjlighet att räkna ut avståndet till kollisionen på ett sätt som inte är beroende av andra metoder. Samtidigt kunde hastigheten hos deras värdgalax NGC 4993 bestämmas genom en analys av ljuset därifrån.
Astronomerna fick på så vis fram ett värde på 70 kilometer per sekund och megaparsec för Hubblekonstanten. Dock är felmarginalerna än så länge så stora att det inte säger så mycket om vilket av de tidigare värdena som stämmer bäst. I takt med att fler observationer av det här slaget görs av kolliderande neutronstjärnor är astronomerna hoppfulla att de kommer att kunna ringa in Hubblekonstantens verkliga värde en gång för alla.

Just nu pågår också en uppgradering av gravitationsvågsdetektorerna, så förhoppningarna är stora att mer och exaktare information ska komma från liknande händelser i framtiden. Och vi behöver sannolikt inte vänta så länge - ungefär en gång i månaden räknar astronomerna med att få gravitationsvågsinformation från spektakulära kollisioner ute i universum. 

Fakta: 
Steg för steg
Utöver LIGO-projektets och Virgos detektorer för gravitationsvågor sågs de kolliderande neutronstjärnorna totalt av ungefär 70 andra observatorier på jorden och i rymden. Data från kollisionen nådde oss i flera veckor. Bild:LIGO-Virgo

Utöver LIGO-projektets och Virgos detektorer för gravitationsvågor sågs de kolliderande neutronstjärnorna totalt av ungefär 70 andra observatorier på jorden och i rymden. Data från kollisionen nådde oss i flera veckor. Bild:LIGO-Virgo

Tack vare att händelsen observerades med hjälp av både gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor av alla möjliga våglängder, från radiovågor till gammastrålning, har astronomerna kunnat pussla ihop det händelseförlopp som utspelade sig då två neutronstjärnor för cirka 130 miljoner år sedan drabbade samman i en spektakulär kollision.

 

De två neutronstjärnorna, som befann sig i omloppsbana kring varandra, började sin dödsdans efter att avståndet mellan dem krympt till bara omkring 300 kilometer. Då de på kort tid rörde sig i en spiral allt närmare varandra och med allt högre hastighet förvrängde de den omgivande rumtiden och gav ifrån sig stora mängder energi i form av

 

ravitationsvågor. I samma stund som de kolliderade slogs de två neutronstjärnorna samman och det resulterade sannolikt i ett svart hål med rekordlåg massa. Eventuellt bildade de en hypermassiv eller supermassiv neutronstjärna som hann existera mellan någon bråkdels sekund och några timmar innan det kollapsade till ett svart hål.

 

I samband med sammanslagningen sköts det även iväg två kraftfulla strålar av partiklar, vilka producerade korta men intensiva blixtar av gammastrålning.

 

Omkring elva timmar efter sammanslagningen kunde man skåda efterglöden från det överblivna material som kastades ut vid kollisionen.

 

Till slut nåddes vi också av röntgenstrålning och radiovågor, men det dröjde nio respektive sexton dagar. Det berodde på att de smala partikelstrålarna inte var direkt riktade mot jorden, och först när de utvidgats trängde denna strålning in i vårt synfält.

Gravitationsvågor
Gravitationsvågor sprider sig som ringar på vattnet - fast i tre dimensioner - kring en kosmisk explosion som den där två neutronstjärnor kolliderade.

Gravitationsvågor sprider sig som ringar på vattnet - fast i tre dimensioner - kring en kosmisk explosion som den där två neutronstjärnor kolliderade.

Den allmänna relativitetsteorin förutspådde redan 1915 att massiva objekt, som svarta hål och neutronstjärnor, då de accelererar ger upphov till chockvågor i tid och rum. Dessa så kallade gravitationsvågor sprider sig genom rumtiden ungefär som ringar på vattnet. På vägen pressar de samman och sträcker ut rumtiden, vilket resulterar i små skälvningar hos atomerna i den materia de passerar. Eftersom dessa skälvningar inte är större än en miljarddel av diametern hos en atom dröjde det 100 år innan tekniken var så utvecklad att vår jakt på gravitationsvågorna gav resultat.

Neutronsstjärnor
Man vet inte exakt hur en neutronstjärna är uppbyggd - allt bygger på matematiska modeller. Uppfattningen är i alla fall att det yttre höljet består av vanliga atomkärnor, kanske järn, som är tätt packade med fria elektroner som rör sig mellan dem. Längre in ökar antalet fria neutroner som ibland förenar sig med atomkärnor och bildar extremt tunga kärnor som inte skulle överleva utan det extrema trycket. Den yttre kärnan består i princip av tätt packade neutroner, samt enstaka elektroner. Vad som finns i den inre kärnan är okänt, men det spekuleras bland annat om en ”kvarksoppa” där inte ens neutronerna hålls ihop.

Man vet inte exakt hur en neutronstjärna är uppbyggd - allt bygger på matematiska modeller. Uppfattningen är i alla fall att det yttre höljet består av vanliga atomkärnor, kanske järn, som är tätt packade med fria elektroner som rör sig mellan dem. Längre in ökar antalet fria neutroner som ibland förenar sig med atomkärnor och bildar extremt tunga kärnor som inte skulle överleva utan det extrema trycket. Den yttre kärnan består i princip av tätt packade neutroner, samt enstaka elektroner. Vad som finns i den inre kärnan är okänt, men det spekuleras bland annat om en ”kvarksoppa” där inte ens neutronerna hålls ihop.

Neutronstjärnor är kvarlevor från supernovaexplosioner där de centrala delarna pressats ihop av en gravitationskollaps. Gravitationen packar materien så tätt att elektronerna pressas in i atomkärnorna, vilket gör att protonerna förvandlas till neutroner.

 

Trots att de inte är mer än omkring 20 kilometer stora kan de ha upp till tre gånger så stor massa som solen. Det gör dem till de minsta och mest kompakta stjärnorna vi känner till.

 

En tesked material från en neutronstjärna skulle väga ungefär lika mycket som Mount Everest.

 

En liter neutronstjärna väger omkring 1 000 000 000 000 ton.

Grundämnesmysterium löst
Den synliga, infraröda och ultravioletta strålningen från det överblivna material som kastades ut av de kolliderande neutronstjärnorna bekräftar att många av de tyngsta grundämnena i det periodiska systemet - som guld och platina - till stor del skapas vid kollisioner av det här slaget. Bild: AoV (baserad på grafik skapad av Jennifer Johnson/SDSS)

Den synliga, infraröda och ultravioletta strålningen från det överblivna material som kastades ut av de kolliderande neutronstjärnorna bekräftar att många av de tyngsta grundämnena i det periodiska systemet - som guld och platina - till stor del skapas vid kollisioner av det här slaget. Bild: AoV (baserad på grafik skapad av Jennifer Johnson/SDSS)

1954 föreslog astronomen Fred Hoyle att tunga grundämnen har sitt ursprung i supernovaexplosioner. Det krävs helt enkelt något som utvecklar en sådan enorm energi och extrema förhållanden för att tyngre atomkärnor än järn ska kunna bildas.

 

Det har sedan dess varit den gällande hypotesen, men har inte kunnat förklara all förekomst av tunga grundämnen - särskilt inte de i slutet av det periodiska systemet som uran. Därför har det spekulerats om att kollisioner mellan neutronstjärnor också kan vara en källa till bildandet av tunga grundämnen.

 

Detta bekräftades när forskare studerade ljuset från GW170817, som kollisionen döpts till. Astronomerna kunde se tecken på att neutroner slogs ihop med atomkärnor. Efter betasönderfall - en process där en elektron avges och en neutron förvandlas till en proton - bildades nya och tyngre grundämnen med högre atomnummer.

Material från
Allt om Vetenskap nr 1 - 2018

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter