Stjärnkrock visar hur guld bildas

När riktigt kompakta stjärnor krockar uppstår både ljus och gravitationsvågor. Genom att studera sådana kollisioner hoppas forskare vid Stockholms universitet besvara en rad grundläggande frågor. Som hur de tyngsta grundämnena bildas och hur snabbt universum expanderar.

Projektanslag 2019

Gravity meets light

Huvudsökande:
Stephan Rosswog, professor i astronomi med inriktning mot extragalaktisk och högenergiastrofysik

Medsökande:
Stockholms universitet
Ariel Goobar
Anders Jerkstrand
Hiranya Peiris
Jesper Sollerman

Lärosäte:
Stockholms universitet

Beviljat anslag:
33,5 miljoner kronor under fem år

– Det här är verkligen fysik under de mest extrema förhållandena i universum! Temperaturen är mer än 10 000 gånger högre än i solen, gravitationen är jättestark och materian är packad tätare än i en atomkärna. Det är spännande i sig, men dessutom kopplat till så mycket annat vi vill veta mer om, säger Stephan Rosswog, professor i astronomi vid Stockholms universitet.

Det är med tydlig entusiasm Stephan Rosswog beskriver de händelser i rymden han studerar tillsammans med sina forskarkollegor, i ett projekt med stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

Forskningen handlar om kollisioner där neutronstjärnor är inblandade. Neutronstjärnor är de extremt kompakta resterna av exploderade stjärnor. De väger ungefär lika mycket som vår sol, men är bara knappt två mil breda. Gravitationen vid neutronstjärnans yta är två hundra miljarder gånger starkare än på jorden.

Lysande krockar

Stephan Rosswog har studerat neutronstjärnor under hela sin forskarbana. Med beräkningar och datorbaserade simuleringar har han gjort förutsägelser av vad som händer när två neutronstjärnor kolliderar.

De två stjärnorna rör sig då snabbare och snabbare mot varandra i en inåtgående spiralrörelse. Eftersom stjärnorna är så tunga, uppstår så kallade gravitationsvågor som sprider sig ut i rymden. Till sist kraschar de två stjärnorna mot varandra och bildar en enda neutronstjärna. I kollisionen skapas mängder av olika radioaktiva ämnen som kastas ut i rymden och får krocken att lysa med elektromagnetisk strålning. En sådan uppflammande krock kallas kilonova eller macronova.

I projektet ska forskarna förbättra de teoretiska modeller som förutsäger vad som händer när neutronstjärnor krockar. Förhoppningen är att sedan jämföra det med observationer av riktiga kosmiska kollisioner.

– Det här projektet innehåller expertis för hela kedjan från väldigt grundläggande fysik till att faktiskt kunna observera de här händelserna i praktiken, säger Stephan Rosswog.

Skapar guld

Forskningen tar avstamp i något som hände i augusti 2017. Då kunde nämligen astronomer för första gången registrera både gravitationsvågor och elektromagnetisk strålning – som radiovågor, synligt ljus och gammastrålning – från en och samma händelse i rymden. Upphovet var just en krock mellan två neutronstjärnor, i en galax 130 miljoner ljusår från jorden.

Observationerna innebar att astronomerna kunde stämma av flera teoretiska förutsägelser mot verklig data, och gav ny kunskap om en rad olösta frågeställningar. Nu hoppas forskarna att fler sådana rymdhändelser, som kan detekteras med både elektromagnetisk strålning och gravitationsvågor, ska kasta ljus över frågor som fortfarande finns kvar.

En sådan fråga, som nu undersöks vidare i projektet vid Stockholms universitet, handlar om hur de tyngsta grundämnena på jorden har bildats. Grundämnen som är tyngre än väte och helium bildas inne i stjärnor. Men för att det ska uppstå ämnen tyngre än järn, som guld och platina, krävs explosiva förhållanden. 

Länge trodde man att detta skedde i supernovor, som är exploderande stjärnor. Men i sina beräkningar kunde Stephan Rosswog se att tunga ämnen skapas och slungas ut i rymden när neutronstjärnor kolliderar, vilket också bekräftades i krocken som detekterades 2017.

– Nu är det nog ingen tvekan om att kollisioner mellan neutronstjärnor skapar tunga ämnen, som guld. Men det finns fortfarande mer vi vill veta. Som hur stor andel av de tunga ämnena de producerar och om mönstret av partiklar som bildas varierar mellan olika typer av kollisioner.

Forskningen i projektet väntas ge ny kunskap om hur materia beter sig vid extrema förhållanden. Men det kan också ge svar på frågan om hur snabbt universum utvidgas, genom att förbättra sättet att mäta avstånd i rymden baserat på information från gravitationsvågor och elektromagnetisk strålning.

Undersöker natthimlen

En central del i projektet är att förbättra de teoretiska modeller som beskriver kolliderande neutronstjärnor. Forskarna ska bland annat göra simuleringar över en längre tidsskala och försöka att bättre karaktärisera den elektromagnetiska strålning som bildas. De försöker också ta med de svårfångade partiklarna som kallas neutriner i beräkningarna.

Teorin ska sedan jämföras med faktiska observationer. I projektet deltar astronomer som genom internationella samarbeten har tillgång till några av världens mest avancerade teleskop.

– En kilonova dyker upp under några timmar och försvinner successivt efter någon vecka. Observationsastronomerna skannar natthimlen efter sådana blixtar.

En grov uppskattning är att astronomerna kan upptäcka ungefär tio kollisioner mellan neutronstjärnor per år. Men att de faktiskt lyckas se en under projektets gång är inte säkert.

– Vi hoppas såklart att vi kommer att se det vi räknar på, men då måste vi ha lite tur. Men vad vi än ser kan jag nästan garantera att det kommer att vara något spännande som vi kan lära oss massor från, säger Stephan Rosswog.

Text Sara Nilsson
Bild Mascha Schepers, Bastian Werner

 

Fakta

Flerförmedlarastronomi, multi-messenger astronomy, innebär att studera en händelse i rymden med hjälp av information från fler än en typ av källa, fler än en förmedlare.

En förmedlare kan vara exempelvis elektromagnetisk strålning – som synligt ljus – gravitationsvågor, neutriner eller andra partiklar. Tillsammans berättar kombinationen mer om händelsen än vad endast en typ av källa gör.

År 2017 kom ett genombrott inom området när astronomer för första gången kunde detektera både gravitationsvågor och elektromagnetisk strålning från samma händelse i rymden – en krock mellan två neutronstjärnor.