Bilde: Konseptkunst av nøytronstjernesammenslåing og jet. Bilde: Elizabeth Wheatley (STScI)
ABSTRACT bryter ned tankevekkende vitenskapelig forskning, fremtidig teknologi, nye oppdagelser og store gjennombrudd.
En intens stråle av energi i rommet ser ut til å reise syv ganger raskere enn lysets hastighet – en bragd som anses som fysisk umulig i universet vårt. Selv om dette raske tempoet bare er en optisk illusjon, representerer den ifølge en ny studie fortsatt en eksplosjon av energi som skyter mot oss med nesten lysets hastighet.
Hubble Space Telescope (HST) har fanget utrolige utsikter av jetflyet – som ble antent av en enestående kollisjon mellom to hyperdense objekter, kalt nøytronstjerner – som førte til en av de viktigste gjennombruddene i astronomisk historie da den ble oppdaget i 2017.
Mens jetflyet faktisk ikke brøt den kosmiske fartsgrensen, raste den helt opp til kanten av denne ufremkommelige terskelen, og nådde minst 99,97 prosent av lysets hastighet, som tilsvarer omtrent 670 millioner miles per time. Forskere ledet av Kunal Mooley, en astrofysiker ved California Institute of Technology, brukte Hubble og andre teleskoper for å klokke jetflyets “superluminale bevegelse”, som betyr den trippy illusjonen av raskere enn lysets hastighet, i en studie publisert onsdag i Natur.
“Vi har demonstrert i dette arbeidet at presisjonsastrometri med rombaserte optiske og infrarøde teleskoper er et utmerket middel for å måle de riktige bevegelsene til jetfly i nøytronstjernesammenslåinger,” sa Mooley og hans kolleger i studien. “James Webb-romteleskopet (JWST) skal kunne utføre astrometri mye bedre enn det med HST, på grunn av det større oppsamlingsområdet og mindre pikselstørrelse.”
Krasjet mellom disse nøytronstjernene var så eksplosivt at det skapte krusninger i selve romtidens struktur, kjent som gravitasjonsbølger. Selv om sammenslåingen skjedde hele 140 millioner lysår unna, var forskerne fortsatt i stand til å oppdage disse subtile bølgene da de passerte gjennom jorden i august 2017.
Hendelsen, kalt gravitasjonsbølge (GW) 170817 etter datoen den ble oppdaget, fikk raskt en betydningsfull plass i romhistorien. For det første var det første gang at forskere noen gang hadde identifisert bølger fra en sammenslåing mellom to nøytronstjerner. En håndfull gravitasjonsbølger dannet av sammenslåinger mellom sorte hull hadde blitt oppdaget på det tidspunktet, men kollisjoner mellom nøytronstjerner hadde forblitt unnvikende.
Objektenes natur er viktig fordi sammenslåinger av svarte hull ikke produserer synlig lys, og kan bare oppdages gjennom den nye prosessen med gravitasjonsbølgeastronomi. I motsetning til dette produserer kollisjoner mellom nøytronstjerner, som er kompakte rullende objekter dannet av eksplosive dødsfall til store stjerner, lysende strålingseksplosjoner.
Muligheten for å fange opp to forskjellige signaler fra samme hendelse – i dette tilfellet med gravitasjonsbølger og et lyssignal – kan produsere et vell av innsikt som er umulig å skille ut fra bare én observasjonsteknikk.
Av denne grunn strevet forskerne med å få så mange teleskoper som mulig rettet mot stedet på himmelen der GW170817 oppsto for å se etter den strålende eksplosjonen fra fusjonene, inkludert jetflyene som disse hendelsene skyter ut i verdensrommet. Riktignok ble de strålende ettervirkningene av kollisjonen oppdaget av dusinvis av teleskoper, som fulgte utbruddet mens det bleknet. Prestasjonen markerte et stort fremskritt innen multi-messenger astronomi, som beskriver observasjonen av flere typer signaler fra samme hendelse.
Nå, fem år senere, har Mooley og kollegene hans lagt til flere detaljer til denne astronomiske mosaikken med observasjoner fra Hubble, så vel som fra European Space Agencys Gaia-observatorium og flere radiomatriser på jorden involvert i feltet for interferometri med svært lang baselinje. (VLBI). Teamet var i stand til å se jetflyet smelle gjennom en klatt med materiale som hadde blitt sprengt ut i verdensrommet fra sammenslåingen, noe som akselererte massen til høye hastigheter.
Ved å måle bevegelsen til klatten kunne forskerne vise at jetflyet ser ut til å overgå lysets hastighet syv ganger. Så vidt vi vet, kan ingenting reise raskere enn lysets hastighet, bortsett fra utvidelsen av selve universet. Den illusoriske effekten av den superluminale bevegelsen stammer fra den ultrarelativistiske hastigheten til jetflyet, som beveger seg bare litt langsommere enn lyset den sender ut.
Materien i jetflyet følger så vidt etter sine lysende lyspartikler, kjent som fotoner, fra vårt perspektiv på jorden. På grunn av denne effekten kan fotoner som strålen sender ut i de tidlige fasene av utbruddet ende opp med å ankomme jorden omtrent samtidig som fotoner som sendes ut på senere stadier, fordi strålen mer eller mindre holder tritt med sin egen lyseffekt. Dette trippy-fenomenet får det til å virke som om jetflyet beveger seg raskere enn lyshastigheten, et resultat som vil knuse vår forståelse av fysikk, mens jetflyet faktisk bare beveger seg nær lyshastigheten, et resultat som fortsatt er ganske farlig. forvirrende.
Med denne nye studien har Mooley og kolleger presentert et veikart for å oppdage lignende funksjoner i fremtidige foreninger av nøytronstjerner. Disse anstrengelsene kan avdekke noen av mysteriene til disse eksplosive hendelsene, for eksempel den potensielle koblingen mellom nøytronstjernesammenslåinger og sterkt lysende blink kjent som korte gammastråleutbrudd.
“Vår studie representerer, så vidt vi vet, den første egenbevegelsesbegrensningen på Lorentz-faktoren” – som er en spesiell måling av bevegelige objekter – “av en gammastråleutbruddsstråle som indikerer ultrarelativistisk bevegelse,” sa forskerne i studere.
“Kombinasjonen av optisk astrometri og radio-VLBI-målinger (med nåværende observasjonsfasiliteter) kan være enda kraftigere, og kan gi sterke begrensninger på synsvinklene til nøytronstjernesammenslåinger som ligger så langt unna som 150 megaparsec,” tilsvarende nesten 500 millioner lysår, “så lenge de har gunstige helningsvinkler og forekommer i relativt tette miljøer sammenlignet med GW170817,” konkluderte teamet.