Gli astronomi potrebbero aver rilevato un “boom sonico” da una potente esplosione nota come kilonova

L’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA ha raccolto dati su una kilonova, un potente evento qui illustrato che si verifica quando due stelle di neutroni si fondono, associato a GW170817. Questo è il primo evento cosmico che ha prodotto onde gravitazionali e radiazioni elettromagnetiche, o luce, che sono state rilevate sulla Terra. Credito: dati radiografici di NASA, CXC e Northwestern Univ./A. hajela; visuale della NASA/CXC/M. Weiss

Gli astronomi potrebbero aver rilevato un “boom sonico” da una potente esplosione nota come kilonova. Questo evento, chiamato GW170817, è il risultato della fusione di due stelle di neutroni ed è il primo oggetto per il quale entrambi[{” attribute=””>gravitational waves and electromagnetic radiation, or light, have been detected form Earth. Continued detections of this light by NASA’s Chandra X-ray Observatory—analyzed by a collaboration that includes Penn State researchers—revealed this cosmic phenomenon.

“Chandra has continued to detect electromagnetic radiation from this neutron star merger nearly four years after the event was first detected,” said David Radice, assistant professor of physics and of astronomy and astrophysics at Penn State and a member of the collaboration. “These observations provide important information about what happens after the initial collision, such as when and how the two merged objects might form a black hole.”

A kilonova occurs when two neutron stars – some of the densest objects in the universe – merge. On August 17, 2017, astronomers discovered gravitational waves from such a merger using the Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in the United States and the Virgo detector in Italy, coinciding with a burst of gamma rays. Since then, astronomers have been using telescopes all over the world and in space, including NASA’s Chandra X-ray Observatory, to study GW170817 across the electromagnetic spectrum, which includes X-rays.

“We have entered uncharted territory here in studying the aftermath of a neutron star merger,” said Aprajita Hajela of Northwestern University, who led the new study of GW170817.

Gli astronomi pensano che dopo la fusione delle stelle di neutroni, i detriti generano luce nello spettro visibile e infrarosso dal decadimento di elementi radioattivi come platino e oro formatisi nei detriti dalla fusione. Questa esplosione di luce è chiamata kilonova. Nel caso di GW170817, la luce visibile e l’emissione infrarossa sono state rilevate diverse ore dopo le onde gravitazionali.

La fusione delle stelle di neutroni sembrava molto diversa nei raggi X. Subito dopo l’annuncio del rilevamento iniziale di LIGO, gli scienziati hanno chiesto a Chandra di passare rapidamente dal suo obiettivo attuale a GW170817. All’inizio, non hanno visto alcun raggio X dalla sorgente, ma il 18 agosto. 26, 2017, Chandra guardò di nuovo e trovò una sorgente puntiforme di raggi X.

Questo mancato rilevamento dei raggi X, seguito rapidamente da un rilevamento, fornisce la prova di un getto stretto di particelle ad alta energia prodotto dalla fusione di stelle di neutroni. Il getto è “fuori asse”, cioè non punta direttamente verso la Terra. I ricercatori pensano che Chandra avesse originariamente osservato il getto stretto di lato, e quindi non abbia visto raggi X subito dopo che le onde gravitazionali sono state rilevate.

Tuttavia, con il passare del tempo, il materiale nel getto ha rallentato e allargato mentre sbatteva contro il materiale circostante. Ciò ha fatto sì che il cono del getto iniziasse a espandersi maggiormente nella linea di vista diretta di Chandra e l’emissione di raggi X è stata rilevata.

Dall’inizio del 2018, l’emissione di raggi X causata dal getto era costantemente diminuita man mano che il getto rallentava e si espandeva ulteriormente. Il team di ricerca ha quindi notato che da marzo 2020 fino alla fine del 2020 il declino si è fermato e l’emissione di raggi X è stata approssimativamente costante in termini di luminosità. Questo è stato un segno significativo.

“Il fatto che i raggi X abbiano smesso di sbiadire rapidamente è stata la nostra migliore prova finora che qualcosa in aggiunta a un getto viene rilevato nei raggi X in questa fonte”, ha affermato la coautrice Raffaella Margutti dell’Università della California a Berkeley. “Sembra necessaria una sorgente di raggi X completamente diversa per spiegare ciò che stiamo vedendo”.

Una delle principali spiegazioni di questa nuova fonte di raggi X è che i detriti in espansione dalla fusione hanno generato uno shock, come il boom sonico di un aereo supersonico. L’emissione prodotta dal materiale riscaldato dall’urto è chiamata kilonova afterglow. Una spiegazione alternativa è che i raggi X provengano da materiale che cade verso un buco nero formatosi dopo la fusione delle stelle di neutroni. GW170817 sarebbe la prima osservazione di entrambe le spiegazioni.

“Ulteriori studi su GW170817 potrebbero avere implicazioni di vasta portata”, ha affermato la coautrice Kate Alexander, anche lei della Northwestern University. “Il rilevamento di un bagliore residuo di una kilonova implicherebbe che la fusione non ha prodotto immediatamente un buco nero. In alternativa, questo oggetto potrebbe offrire agli astronomi la possibilità di studiare come la materia cade su un buco nero pochi anni dopo la sua nascita”.

Per distinguere tra le due spiegazioni, gli astronomi continueranno a monitorare GW170817 nei raggi X e nelle onde radio. Se si tratta di un bagliore residuo di kilonova, si prevede che l’emissione radio diventi più luminosa nel tempo e venga rilevata di nuovo nei prossimi mesi o anni. Se la spiegazione prevede che la materia cada su un buco nero appena formato, l’emissione di raggi X dovrebbe rimanere costante o diminuire rapidamente e nel tempo non verrà rilevata alcuna emissione radio. Le nuove osservazioni Chandra di GW170817 del dicembre 2021, che il team sta attualmente analizzando, potrebbero aiutare a risolvere questa domanda.

“Questa osservazione apre anche la strada a ulteriori studi”, ha affermato la coautrice Ashley Villar, assistente professore di astronomia e astrofisica alla Penn State. “Quando LIGO inizierà la sua quarta corsa di osservazione, speriamo di trovare più kilonovae ed esplorare davvero la diversità di questi eventi, incluso il modo in cui le firme di massa ed energia differiscono nel bagliore residuo e come potrebbero variare i componenti non termici come la struttura del getto. La ricchezza di questo set di dati è essenziale per illuminare la fisica che guida questa diversità”.

Per ulteriori informazioni su questa ricerca vedere:

Riferimento: “L’emergere di una nuova sorgente di raggi X dalla fusione binaria di stelle di neutroni GW170817” di A. Hajela, R. Margutti, JS Bright, KD Alexander, BD Metzger, V. Nedora, A. Kathirgamaraju, B. Margalit , D. Radice, E. Berger, A. MacFadyen, D. Giannios, R. Chornock, I. Heywood, L. Sironi, O. Gottlieb, D. Coppejans, T. Laskar, Y. Cendes, R. Barniol Duran, T. Eftekhari, W. Fong, A. McDowell, M. Nicholl, X. Xie, J. Zrake, S. Bernuzzi, FS Broekgaarden, CD Kilpatrick, G. Terreran, VA Villar, PK Blanchard, S. Gomez, G. Hosseinzadeh, DJ Matthews e JC Rastinejad, 5 aprile 2021, Astrofisica > Fenomeni astrofisici ad alta energia.
arXiv:2104.02070

Un documento che descrive questi risultati appare nell’ultimo numero di Le lettere del diario astrofisico.

Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce il programma Chandra. Il Chandra X-ray Center dello Smithsonian Astrophysical Observatory controlla le operazioni scientifiche da Cambridge, Massachusetts, e le operazioni di volo da Burlington, Massachusetts.

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