Sådan gjorde de: Den største astronomiske opdagelse i nyere tid

Alle astronomiske sejl blev sat. Den 17. august 2017 kl. 14.41.04 dansk tid kolliderede to neutronstjerner i galaksen NGC 4993 omkring 140 millioner lysår herfra. I cirka 100 sekunder før sammenstødet udsendte systemet tyngdebølger, der kunne opfanges af detektorer på Jorden.

Tyngdebølgerne ramte først detektoren Virgo nær Pisa i Italien. Så var de 22 tusindedele af et sekund om at fare gennem jordkloden og nå LIGO-detektoren ved Livingston i Louisiana, og tre tusindedele af et sekund senere nåede de frem til detektoren ved Hanford i Washington.

Tidligere har detektorerne registreret sorte huller, der smelter sammen, og sorte huller udsender noget kraftigere tyngdebølger end neutronstjerner. Alligevel var det nye tyngdebølgesignal GW 170817 det kraftigste, der er blevet registreret af LIGO-detektorerne, simpelthen fordi neutronstjernerne stødte sammen forholdsvis tæt på os.

En afstand på cirka 140 millioner lysår, svarende til godt tusind milliarder milliarder kilometer, er ikke vanvittigt meget i denne videnskabelige disciplin. Signalet var dog uhyre svagt i Virgo-detektoren, der ikke er nær så følsom som LIGO-detektorerne, men det kunne hjælpe med at lokalisere kilden.

Gammaglimt var afgørende

1,7 sekunder efter at kollisionen var blevet registreret i tyngdebølgedetektorerne, ramte et gammaglimt de to rumteleskoper Fermi og Integral. Forskere fra Institut for Rumforskning og Rumteknologi på Danmarks Tekniske Universitet (DTU Space) var i øvrigt med til at bygge sidstnævnte teleskop, så DTU Space spillede også en rolle i opdagelsen af gammaglimtet.

Gammaglimtet var ikke specielt kraftigt, selv om kilden var tæt på, sandsynligvis fordi gammaglimt udsendes i to specifikke retninger – som lyskegler fra lommelygter – og Jorden ikke lå lige i skudlinjen.

Med kombinationen af tyngdebølger og gammaglimt vidste astronomerne, at der var sket en vigtig opdagelse, og de fik travlt med at aktivere observationsprogrammer, så utallige teleskoper blev rettet i den retning, som tyngdebølgerne og gammaglimtet blev observeret i. Kildens position kunne ikke afgøres præcist, så der var meget af himmelrummet – 31 kvadratgrader – der skulle afsøges.

En ny lysende plet på himlen

Knap 11 timer efter fandt et forskerhold med deltagelse af professor Enrico Ramirez-Ruiz fra Niels Bohr Institutet en ny, lysende plet på det rette udsnit af himlen. Hvad der skulle vise sig at være en kilonova var lokaliseret i udkanten af galaksen NGC 4993 i retning af stjernebilledet Søslangen på den sydlige himmelkugle. Det skete ved hjælp af teleskopet Swope i Chile.

I løbet af den næste time blev der taget billeder af kilonovaen med fem andre chilenske teleskoper, og efterhånden som tiden gik kom stadig flere teleskoper med på listen. Omkring 70 observatorier i rummet og på landjorden blev taget i brug for at følge kilonovaens udvikling. Alt andet blev lagt til side.

Lektor Uffe Gråe Jørgensen fra Niels Bohr Institutet sørgede for, at det danske 1,54 meter teleskop i Chile fik taget billeder af kilonovaen et par dage efter, og det fællesnordiske Nordisk Optisk Teleskop på den kanariske ø La Palma blev også sat på opgaven. Det var med nød og næppe, at det lykkedes at tage billeder med det 2,56 meter store teleskop, for set fra La Palma kom kilonovaen kun en anelse op over horisonten.

Afstanden blev bestemt

Nu gjaldt det i første omgang om at finde ud af, om tyngdebølgerne og kilonovaen virkelig var resultater af den samme begivenhed. Her sørgede professor Jens Hjorth og fem andre fra DARK for at bestemme afstanden til den galakse, som kilonovaen dukkede op i, ved hjælp af klassiske, astronomiske metoder. Da afstanden passede med den afstand, som blev beregnet ud fra tyngdebølgerne, kunne de bekræfte, at tyngdebølgerne kom fra galaksen NGC 4993, som huser kilonovaen.

Med kombinationen af tyngdebølger og klassisk astronomi kunne astronomerne ikke blot udregne afstanden til galaksen, men også den hastighed, hvormed den bevæger sig væk fra os på grund af universets udvidelse. Forholdet mellem afstanden og hastigheden kaldes Hubble-konstanten, og den kunne forskerne – heriblandt fra Niels Bohr Institutet – beregne. Værdien af Hubble-konstanten målt på denne måde viste sig at være i overensstemmelse med andre bestemmelser af den.

Syv forskere fra DARK deltog i arbejdet med at tegne en profil af galaksen. Her brugte de billeder fra rumteleskoperne Hubble og Chandra samt data fra Very Large Telescope i Chile. Det viste sig, at galaksen er ret gammel, forstået på den måde, at der ikke længere dannes ret mange stjerner i den. Det taler for, at de kolliderende neutronstjerner også er gamle.

Målt i mange bølgelængder

Astrofysikerne skulle vise, at der var tale om en hel unik opdagelse af en kilonova, og det kunne de gøre ud fra observationer af elektromagnetisk stråling i mange forskellige bølgelængder, herunder de optiske – altså det lys, vi kan se med øjnene. Efter det første gammaglimt blev der både fanget røntgenstråler, ultraviolet stråling, optisk lys, infrarødt lys og radiobølger fra objektet.

Det var vigtigt at observere kilonovaen igennem lang tid, så man kunne følge dens udvikling og sammenligne med teoretiske modeller for kilonovaer. Det skulle også udelukkes, at der kunne være tale om en lille supernova.

En del af bølgelængderne kan ikke trænge igennem atmosfæren, så her blev rumteleskoper taget i brug. For eksempel brugte postdoc Daniele Malesani fra DARK data fra NASA-satellitten Swift til at analysere den ultraviolette del af lyset fra kilonovaen. 15 timer efter sammenstødet kunne forskerne se, at kilonovaen udsendte overraskende meget ultraviolet stråling. Denne stråling kommer sandsynligvis fra en varm skive af stof, der opstod omkring den store neutronstjerne eller det sorte hul, der blev dannet ved sammenstødet mellem neutronstjernerne.

Spektroskopi giver ekstra information

Der blev gjort en meget stor indsats for at indsamle så meget lys som muligt med teleskoperne, og en del teleskoper har instrumenter, der gør det muligt at dele lyset op i bølgelængder i hele det synlige område og lidt til. Det gav et væld af ekstra informationer om kilonovaen og dens udvikling. DARK-forskere har spillet en stor rolle i dette arbejde, idet de var med på adskillige hold, der udførte detaljerede spektroskopiske analyser af lyset fra kilonovaen. Blandt andet blev rumteleskopet Hubble og Very Large Telescope i Chile taget i brug.

Forskere fra Niels Bohr Institutet var med til at analysere de radiobølger, som blev opfanget af det enorme radioteleskop ALMA. Det består af 66 store parabolantenner placeret i fem kilometers højde på et plateau i Atacama-ørkenen i Chile. Kilonovaen udsendte dog ikke radiobølger, der kunne opfanges af ALMA.

Ved voldsomme begivenheder i universet udsendes store mængder elementarpartikler kaldet neutrinoer, og derfor blev forskere tilknyttet neutrino-observatorier også bedt om at kigge deres data efter. Fem forskere fra Niels Bohr Institutet var involveret i analysen af data fra neutrinodetektoren IceCube, der er begravet dybt nede i isen på Sydpolen, men der blev ikke fundet spor efter neutrinoer fra sammenstødet mellem neutronstjernerne.

Opdagelsen og den efterfølgende analyse af tyngdebølgerne, gammaglimtet og kilonovaen var kun mulig gennem solide forberedelser og hårdt arbejde fra et verdensomspændende videnskabeligt netværk, hvor flere tusinde forskere var involveret.

Arbejdet med at vride informationer ud af begivenheden vil fortsætte de kommende måneder, så vi for eksempel kan blive meget klogere på, hvordan tunge grundstoffer dannes og spredes i universet. Forskerne på Niels Bohr Institutet er glade for at kunne yde væsentlige bidrag til denne vigtige forskning.

• Scientific Papers by Dark Cosmology Centre >>

Topics