To neutronstjerner roterer om hinanden, støder sammen og bliver én under frigivelse af energi, der sender gravitationsbølger og gammastråling gennem rummet. (Illustration: ESA)

DTU-forskere med i historisk opdagelse i rummet

mandag 16 okt 17

Kontakt

Søren Brandt
Seniorforsker
DTU Space
45 25 97 10

Kontakt

Jérôme Chenevez
Seniorforsker
DTU Space
45 25 97 03

FAKTA: INTEGRAL og neutronstjerner

Arbejdet med at bygge rumfartøjet INTEGRAL blev indledt i 1995 med den europæiske rumorganisation ESA i spidsen.

 

DTU Space har ledet arbejdet med at udvikle og bygge røntgen-detektorer til INTEGRAL, som kaldes JEM-X (Joint European Monitors for X-rays). DTU Space er stadig involveret i den videnskabelige del af den succesfulde mission.

 

Missionen blev sendt i rummet i 2002 med det formål at undersøge sorte huller og neutronstjerner. Siden har den  kredset omkring jorden i en bane, hvis højde varierer fra cirka 10.000 til 180.000 km. Instrumenterne ombord registrerer blandt andet de korte gammaglimt, som varer mindre end to sekunder. 

 

Missionen har nu for alvor vist sit værd med de succesfulde opdagelser af sammenhængen mellem korte gammaglimt, neutronstjerner og gravitationsbølger.

 

Neutronstjernerne, der støder sammen, er blot omkring 10 km i diameter. Men deres masse er enorm. Sådan en stjerne har en masse, der svarer til halvanden gange solen. På jorden ville en portion på størrelse med en spilleterning veje 100 mio. ton. 

 

Korte gammaglimt er den gammastråling i form af fotoner, der opstår under neutronstjerneners kollision, og derefter udbredes som lysbølger gennem rummet. De er svære at undersøge, da de er kortvarige. Samtidig dannes gravitationsbølger, idet en del af neutronstjernernes masse omdannes til energi.

Rumfartøjet INTEGRAL har målt signaler, der stammer fra kollision mellem to neutronstjerner. Fra samme begivenhed er der for første gang registreret gravitationsbølger og gammastråling. Dermed indskriver forskere fra DTU Space sig i historien om afdækningen af fænomenet, som Einstein forudsagde, og hvis eksistens for nylig udløste en Nobelpris.

Det bliver lidt af en fest, når forskere fra DTU Space og en række andre førende forskningsinstitutioner rundt omkring i verden mødes til kongres i Venedig i disse dage. Her blev der nemlig kort efter åbningen i dag serveret verdensnyheder om neutronstjerner og gravitationsbølger.

"Det er en ny æra for astrofysikken. Nu har vi sammenfaldende målinger fra både jorden og rummet, som bekræfter fænomenet, som Einstein forudsagde"
Søren Brandt, astrofysiker DTU Space

En stor nyhed er, at der igen er målt gravitationsbølger.  Men den mest markante opdagelse er, at de nu for første gang er observeret i forbindelse kollision mellem to neutronstjerner.

Hidtil er gravitationsbølger kun registreret i forbindelse med sorte huller.
Samtidig er det påvist, at der også opstår en voldsom energiudladning i form af fænomenet korte gammaglimt. Der opstår med andre ord både gammaglimt og gravitationsbølger, når disse stjerner kolliderer.

En stor del af de nye opdagelser er baseret på data fra INTEGRAL-missionen, som den europæiske rumorganisation ESA står bag, og som DTU Space er med i. 

”Hidtil har vi ikke vidst med sikkerhed, hvordan de korte gammaglimt opstår. Men det ved vi nu. De opstår formentlig, når to neutronstjerner smelter sammen, og der i den forbindelse dannes gravitationsbølger,” fortæller Søren Brandt, der er astrofysiker og seniorforsker på DTU Space.

”Det ved vi, fordi der med LIGO-detektoren på jorden er registreret gravitationsbølger, som kun kan stamme fra en neutronstjernekollision, samtidig med, at vi ved hjælp af INTEGRAL har registreret gammaglimt kort efter.”

Det er en stor opdagelse, som binder flere løse ender sammen i astrofysikken og er med til at bekræfte Einsteins almene relativitetsteori.

Opdagelsen er netop offentliggjort på den videnskabelige konference i Venedig og i en række videnskabelige artikler i tidsskriftet Astrophysical Journal. Her er DTU-forskerne Søren Brandt og Jérôme Chevenez medforfattere.

Arbejdet indgår i et større kompleks af opdagelser, som involverer hundredvis af forskere og er baseret på observationer fra både rummet og jorden foretaget af både den europæiske rumorganisation ESA og amerikanske NASA.

DTU Space er med i de fire hovedartikler, der nu udgives om de nye opdagelser.

Gammaglimt opdaget ved et tilfælde

Gammaglimt har længe været lidt af et mysterium.

De blev første gang registreret ved et tilfælde i 1960’erne af amerikansk spionudstyr i rummet, der holdt øje med, om det daværende Sovjetuninonen foretog hemmelige atomprøvesprængninger. Dengang anede ingen, hvad det var for en energiudladning, man havde opfanget. 

Siden er der defineret både lange og korte gammaglimt.

Korte gammaglimt er gammastråling i form af fotoner. De opstår, når to neutronstjerner kolliderer. Derefter udbredes fotonerne som lysbølger gennem rummet.

Undersøgelsen af stjerne-kollisionerne supplerer forskningen i de sorte huller i arbejdet med at undersøge blandt andet gravitationsbølger.

Med de nye opdagelser kan forskerne komme tættere på store spørgsmål som, hvordan tunge grundstoffer som uran og guld dannes, hvad den uforklarlige mørke energi er, som menes at udgøre det meste af universet, og give bedre ideer om, hvorfor universet udvider sig med stigende hastighed.

I slutningen af 1990’erne fandt forskere ud af, at de længerevarende gammaglimt opstod i forbindelse med døende stjerner, supernovaer. Men de korte gammaglimt, som varede mindre end to sekunder, kunne man stadig ikke forklare. En af ideerne var, at de kunne stamme fra sammenstød mellem neutronstjerner. Og det er altså fastslået nu, 50 år efter at deres eksistens blev kendt.

Et signal fra fortiden

Den kollision, der nu er registreret, fandt sted for cirka 125 millioner år siden, og det skete mange milliarder km fra jorden. Signalet fra hændelsen har med andre ord tilbagelagt 125 millioner lysår, før det nåede frem til INTEGRAL og blev registreret.

Fra sin bane omkring jorden har INTEGRAL registreret gammastråling flere gange tidligere, uden at kunne fastslå, om den stammede fra neutronstjerner.

Men i sommer blev der igen målt gravitationsbølger på jorden i to omgange. Det skete med de to LIGO-detektorer i USA og et lignende anlæg i Italien. 

Den 14. august blev der for kun fjerde gang målt gravitationsbølger, siden de blev registreret for første gang i 2015. Så snart Søren Brandt og hans kolleger modtog denne information, fik de ESA’s eksperter til at justere styreprogrammet til INTEGRAL, så den pegede i retning af det område i universet, hvor der var registreret gravitationsbølger fra.

”Vi fik justeret INTEGRAL, men vi så ikke noget. Formentlig fordi det var gravitationsbølger fra sorte huller og ikke fra neutronstjerner,” fortæller Søren Brandt.

Tre dage senere, den 17. august kom gennembruddet så. Her blev der for anden gang den måned registreret gravitationsbølger fra detektorerne i USA og Italien.

”To sekunder efter, at der var registreret gravitationsbølger på jorden, ramte fotoner fra korte gammaglimt ind fra siden og blev registreret af detektoren på INTEGRAL, ” siger Søren Brandt.

”Det var helt unikt. Der blev både registreret gammaglimt og gravitationsbølger fra samme hændelse, og så var vi sikre på, at det måtte komme fra en sammensmeltning af neutronstjerner og ikke fra sorte huller.”

Sorte huller udsender ikke gammaglimt. Hændelsen 17. august kæder derfor gravitationsbølger, korte gammaglimt og neutronstjerner entydigt sammen. Dermed offentligøres i dag både, at der nu for femte gang er målt gravitationsbølger, og at de for første gang stammer fra kollision mellem neutronstjerner. 

En ny æra for astrofysikken

Gravitationsbølgerne, som indgår i Einsteins generelle relativitetsteori, opstår ifølge teorien under tre typer af hændelser: 

Når to sorte huller roterer omkring hinanden, ved kollision mellem neutronstjerner eller i sammenstød mellem et sort hul og en neutronstjerne. I disse processer omdannes en del af de enorme masser til energi, som så udsendes i et udbrud af gravitationsbølger.

Arbejdet på LIGO-anlægget, og den første direkte detektion af gravitationsbølger i 2015, blev for nylig belønnet med Nobelprisen i fysik.

”Det er en ny æra for astrofysikken. Vi har fået bedre redskaber til at undersøge universet med, og nu har vi  sammenfaldende målinger fra både jorden og rummet, som bekræfter fænomenet, som Einstein forudsagde måtte finde sted,” siger Søren Brandt.

”Det her kan med lidt god vilje sammenlignes med tidligere store gennembrud i astronomien. Som da Galileo i 1600-tallet revolutionerede astronomien og opfattelsen af universet ved hjælp af bedre teknologi i form af det første egentlige teleskop, som førte til, at man for første gang kunne observere kratere på månens overflade og opdage, at der også var måner i kredsløb omkring Jupiter.” 

DTU Space har deltaget i INTEGRAL-projektet fra begyndelsen. Både i arbejdet med at bygge detektorerne ombord, og i det videnskabelige arbejde efter opsendelsen.

Hovedattraktionen på årets store møde for astrofysikerne var egentlig, at det i morgen er præcis 15 år siden, at INTEGRAL-missionen blev sendt i rummet.

Det skal stadig fejres. Men med de nye revolutionerende opdagelser er der lagt op til et endnu større brag af en fest, end forskerne havde turdet håbe på, da de modtog invitationen til Venedig.

”Det er et fantastisk sammenfald af et årsmøde, fejringen af INTEGRAL-missionens succes og nogle nye store videnskabelige opdagelser, der parate til at blive offentliggjort lige nu,” fortæller Søren Brandt.

”Så jeg ser frem til nogle spændende dage.”

Figuren nedenfor viser, at der under kollision mellem to neutronstjerner opstår gravitationsbølger, som blandt andet registreres på jorden af LIGO-detektoren i USA (nederste kurve) og også korte gammaglimt, som cirka to sekunder senere registreres af både ESA-satellitten INTEGRAL og NASA's Fermi-satellit.
(Kilde: ESA, NASA, DTU Space, LIGO-konsortiet mf.l.) 

 Kurven viser, at der i forbindelse med neutronstjernekollision udsendes en gravitationsbølge samt gammaglimt - målt på jorden af LIGO-detektoren i USA samt af ESA-satellitten Integral. (Kilde: ESA, NASA, DTU Space, LIGO-konsortiet mf.l.)

FAKTA: LIGO og gravitationsbølgerne

Albert Einstein forudsagde allerede i 1916, at gravitationsbølger – i Danmark også  kaldet tyngdebølger - måtte eksistere. Men dengang havde man ikke teknologien til at måle dem.

Den 14. september 2015 blev de observeret i virkeligheden for første gang.

Gravitationsbølger opstår og udbredes med lystes hastighed i tre situationer: Når to sorte huller – der kan have omkring 30 gange solens masse - roterer omkring hinanden og bliver til ét. Når neutronstjerner kolliderer. Eller når et sort hul og en neutronstjerne støder sammen. 

Denne hændelse påvirker rum og tid – rumtiden – og får rummet til at vibrere kortvarigt. Forandringerne er svære at måle, men kan registreres som små forandringer i afstande her på jorden.

Det lykkedes for første gang nogensinde i 2015 med LIGO-detektorerne i USA. Forandringen, der blev målt, svarer til at fastslå en længdeændring på nogle få tusindedele af en atomkernes diameter på en fire kilometer lang strækning. Det sker ved hjælp af laserstråler i LIGO-anlægget, der måler påvirkningen fra gravitationsbølgerne, når de passerer jorden.

Med de fælles opdagelser fra LIGO-anlægget, det lignende Virgo-anlæg i Italien, INTEGRAL, og NASA’s Fermi-satellit, er det nu femte gang, der er registreret gravitationsbølger. Opdagelsen af de første gravitationsbølger udløste da også årets Nobelpris i fysik. Den gik til tre amerikanske fysikere, som har været blandt hoveddrivkræfterne bag  udviklingen af LIGO-anlægget.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.