Forbavsede astrofysikere opdager den perfekte eksplosion i rummet

ASTROFYSIK Når neutronstjerner brager sammen, udløser det en gigantisk eksplosion, som stik imod hvad alle har troet har form som en perfekt kugle. Selvom det endnu er et mysterium, hvordan det kan lade sig gøre, giver det muligvis en ny nøgle til fundamental fysik og til at finde ud af, hvor ...
Illustration af kilonova
Kunstnerisk fortolkning af kilonova (credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

De har spillet en hovedrolle i at skabe stort og småt i vores univers – fra sorte huller til vielsesringen på din finger og jodet i vores krop. De kaldes kilonovaer og er de gigantiske eksplosioner, der sker, når to neutronstjerner snurrer rundt om hinanden og til sidst brager sammen. De skaber de mest ekstreme fysiske forhold i Universet, og det er i denne eksplosion, at de tungeste af vores grundstoffer som guld, platin og uran bliver skabt og blæst ud i rummet.

Men der er stadig rigtig meget, vi ikke ved om dette voldsomme fænomen. Da man i 2017 observerede en kilonova 140 millioner lysår væk, var det den første, man fik detaljerede data om. Forskere rundt om i verden tolker stadig på dataene fra den kolossale eksplosion. Det gælder også Albert Sneppen og Darach Watson fra Københavns Universitet, som nu har gjort en højst overraskende opdagelse.

”Du har to superkompakte stjerner, som i ét plan spinner rundt om hinanden 100 gange i sekundet for så at brage sammen. Almen fysisk intuition og alle hidtidige modeller siger, at den enorme eksplosionssky, som kollisionen skaber, må have en fladtrykt og temmelig asymmetrisk facon,” siger Albert Sneppen, Ph.D.-studerende ved Niels Bohr Institutet og førsteforfatter på studiet udgivet i tidsskriftet Nature.

Derfor er han og forskerkollegerne forbavsede over at konstatere, at det slet ikke forholder sig sådan for kilonovaen fra 2017. Den er nemlig fuldstændig symmetrisk og har form som en perfekt kugle.

”Ingen forventede, at eksplosionen kunne se sådan ud. Det giver ingen mening, at den er rund som en kugle. Men det er den altså, viser vores beregninger med tydelighed. Det betyder formentlig, at alle de teorier og simuleringer af kilonovaer, som vi og andre astronomer gennem de sidste 25 år har støttet os til, mangler at inkludere vigtig fysik,” siger Darach Watson, lektor ved Niels Bohr Institutet og andenforfatter på studiet.

Illustration af den sfæriske eksplosion (credit: Albert Sneppen)

Kugleformen er fortsat et mysterium

Men hvordan det overhovedet kan lade sig gøre, at kilonovaen er kugleformet, er altså indtil videre et stort mysterium. Ifølge forskerne må der nødvendigvis være et fysisk fænomen i spil, som forskningsverdenen ikke har forventet:

OM KILONOVAER

  • Neutronstjerner er ekstremt kompakte stjerner, som hovedsageligt består af neutroner. De er typisk kun omkring 20 kilometer i omfang, men kan veje halvanden til to gange mere end Solen. En teskefuld neutronstjernestof ville veje omtrent lige så meget som Mount Everest.
  • Når to neutronstjerner støder sammen, opstår fænomenet en kilonova. Det er navnet på den gigantiske eksplosion, som sammenstødet skaber. I en radioaktiv ildkugle, der udvider sig med enorm hastighed, dannes en masse tunge grundstoffer – både de lettere og de helt tunge - som slynges ud i rummet.

…

”Den mest sandsynlige måde at gøre eksplosionen rund på er, hvis en kæmpe mængde energi blæser ud fra eksplosionens midte og dermed glatter den ellers asymmetriske form ud. Så kugleformen fortæller os, at der formentlig er en hel masse energi tilstede i kernen af eksplosionen, som ingen havde forudset,” siger Albert Sneppen.

Når de to neutronstjerner er stødt sammen, bliver de kortvarigt forenet som en hypermassiv neutronstjerne, som så kollapser og bliver til et sort hul. Forskerne spekulerer i, om det er i denne transformation, at en stor del af hemmeligheden gemmer sig:

”Måske bliver der skabt en slags ’magnetisk bombe’ i det øjeblik, hvor energien fra den hypermassive neutronstjernes enorme magnetfelt bliver frigivet, når stjernen kollapser til et sort hul. Bomben ville kunne få stoffet i eksplosionen til at fordele sig i en kugleform. Fødslen af det sorte hul er i så fald meget mere energiladet, end vi regnede med,” siger Darach Watson.

Denne teori forklarer dog ikke et andet aspekt af forskernes opdagelse. Ifølge de hidtidige modeller burde de lette og tunge grundstoffer nemlig blive skabt forskellige steder i kilonovaen og også blive slynget ud i forskellige retninger. Forskerne kan derimod kun se de lettere grundstoffer, og de spyttes ud i en jævn og ensartet fordeling.

De tror derfor, at de gådefulde elementarpartikler, neutrinoer, som man endnu ved meget lidt om, også spiller en nøglerolle i fænomenet.

”En alternativ idé er, at i de millisekunder, den hypermassive neutronstjerne lever, udsender den en kraftig energi-eksplosion, som muligvis inkluderer en masse neutrinoer. De mange neutrinoer kan konvertere neutroner til protoner og dermed skabe flere lette grundstoffer over det hele. Denne teori har dog også mangler, men vi er overbeviste om, at neutrinoer spiller en større rolle, end vi troede,” siger Albert Sneppen.

En ny kosmisk lineal

Men faconen på eksplosionsskyen er også interessant af en helt anden grund:

“Blandt astrofysikere er der stor diskussion om, hvor hurtigt Universet udvider sig. Hastigheden fortæller os bl.a. hvor gammelt Universet er. Og de to metoder, der findes til at måle det med, er uenige med omkring en milliard år. Her har vi måske en tredje metode, der kan komplimentere og testes mod de andre målinger,” siger Albert Sneppen.

Den såkaldte ”kosmiske afstandsstige” er den metode, man i dag bruger til at måle, hvor hurtigt Universet vokser. Det gør man simpelt sagt ved at beregne afstanden mellem forskellige objekter i universet, som fungerer som trin på stigen.

”Hvis de er kugleformede, hvis de lyser kraftigt, og hvis vi ved hvor langt væk, de er, kan vi bruge kilonovaer som et nyt måleobjekt, der helt alene og uafhængigt fortæller os afstanden – en slags lineal i rummet,” siger Darach Watson og fortsætter:

”At kende formen er her altafgørende, for hvis du har et objekt, der ikke er rundt, er problemet, at afstanden til objektet varierer, alt efter hvor man måler fra. Et rundt objekt vil give meget større præcision i målingen, end vi har haft hidtil.”

Han understreger, at dette kræver flere data fra flere kilonovaer. Forskningsverdenen forventer dog, at bl.a. LIGO-observatorierne i USA vil opdage flere kilonovaer de kommende år.

OM STUDIET

  • Analyserne er foretaget på data fra kilonovaen AT2017gfo fra i Forskerne har analyseret det ultraviolette, optiske og infrarøde lys fra kilonovaen og kombineret det med tidligere analyser af tyngdebølger, radio-bølger og Hubble-data.
  • Den videnskabelige artikel om studiet er offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nature.
  • Studiet er et vigtigt tidligt resultat af HEAVYMETAL-samarbejdet, der for nylig blev tildelt en ERC Synergy-bevilling.
  • Følgende forskere har bidraget: Albert Sneppen og Darach Watson fra Cosmic Dawn Center/ Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet; Andreas Bauswein og Oliver Just, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Tyskland; Rubina Kotak fra University of Turku, Finland; Ehud Nakar og Dovi Poznanski fra Tel-Aviv University, Israel samt Stuart Sim fra Queen’s University Belfast, UK.
Darach Watson og Albert Sneppen fra Cosmic Dawn Center (DAWN) / Niels Bohr Institutet

Kontakt