Smällen som skapar guld

I slutet av sommaren riktade ett antal astronomer i hemlighet sina teleskop mot en avlägsen punkt på himlen. En efterlängtad kollision hade skickat en gravitationsvåg mot jorden – men informationen var än så länge hemlig. Under några intensiva dygn hade forskarna en unik möjlighet att knäcka gåtan om hur ovanliga och tunga grundämnen som guld och platina bildas. Här skriver astronomen Jesper Sollerman om en lyckosam kamp mot klockan.

Klockan 13:41:04 den 17 augusti registrerades en gravitationsvåg av den ena Ligo-antennen, den i Hanford i nordvästra USA. Med makalös precision fångade laserstrålarna i det fyra kilometer långa röret en vibration med utslag mindre än en atomkärnas storlek. Signalen upptäcktes även i systerantennen, som ligger 300 mil bort i andra hörnet av USA.

Den nyupptäckta gravitationsvågen fick beteckningen GW170817 och var av helt annan karaktär än de tidigare, som kommit från kolliderande svarta hål. Här handlade det för första gången om två neutronstjärnor som hade smält samman. Det låter kanske inte så märkvärdigt, men för oss astronomer banade det väg för en veritabel triumf. För första gången kunde det bli möjligt att upptäcka synliga spår av källan till gravitationsvågen, något som är betydligt svårare när det handlar om svarta hål.

Neutronstjärnor är de kompakta himlakroppar som blir kvar när en massiv stjärna har exploderat som en supernova. De väger som vår sol, men är bara någon mil tvärs över. En detaljerad analys av signalen visar att gravitationsvågorna kom från två neutronstjärnor som tillsammans vägde 2,8 gånger solens massa.

Min kollega, Stephan Rosswog vid Oskar Klein-centret i Stockholm, har ägnat tjugo år åt att räkna på kolliderande neutronstjärnor. Han gör sofistikerade datorsimuleringar där han undersöker hur neutronstjärnor cirklar tätare och tätare runt varandra, tills de brakar ihop och skapar en enda stjärna. I krocken skapas mängder av olika radioaktiva ämnen som kastas ut i rymden. Stephan Rosswog var en av de första att förstå att energin från dessa radioaktiva sönderfall kan få krocken att lysa i optiskt ljus. I analogi med de ljusstarkare supernovorna kallas dessa uppflammande kollisioner för makronovor.

En av de gåtor som kan börja nystas upp genom att observera en makronova handlar om hur de allra tyngsta grundämnena har bildats. De grundämnen som är tyngre än väte och helium bildas inne i stjärnorna. Under årmiljonerna slås helium ihop till kol, kol till syre och så vidare upp till järn. Bara de tyngsta stjärnorna bildar de tyngre grundämnena och frigör dem sedan i supernovaexplosioner. Men de ämnen som är tyngre än järn bildas inte alls under stjärnornas livstid, utan skapas bara under explosiva förhållanden. Det gäller till exempel ädelmetallerna guld och platina, och många av de sällsynta metaller som är viktiga för dagens högteknologiska industri. Där ingår den snabba så kallade r-processen – och den kräver ett hastigt bombardemang av neutroner för att tyngre grundämnen ska kunna skapas. Supernovorna var länge huvudkandidat för denna process, men Rosswog menade att en troligare skapelseplats är just kolliderande neutronstjärnor. Genom att söka efter en sådan makronova med vanliga optiska teleskop skulle man kunna undersöka platsen där några av de ovanligaste ämnena i universum bildas. Nu, tack vare upptäckten av gravitationsvågen GW170817, tycktes det alltså bli möjligt.

Information från gravitationsdetektorerna Ligo och Virgo omges alltid av största möjliga hemlighetsmakeri. Ingenting får avslöjas innan upptäckten har bekräftats och den vetenskapliga artikeln ligger klar. Men ett femtiotal forskargrupper har skrivit avtal om att omedelbart bli underrättade, just för att hinna studera gravitationsvågornas källa med andra typer av instrument. Jag jobbar med två sådana forskarlag, ett som använder NTT-teleskopet på La Silla i Chile (ePESSTO) och ett nätverk av astronomer och teleskop med bas på Caltech och Palomarobservatoriet i Kalifornien (GROWTH).

För att kunna leta på rätt ställe på himlen krävs en tillräckligt noggrann position. När Ligo i september 2015 upptäckte de första gravitationsvågorna från två svarta hål, visste man bara att de borde finnas någonstans inom ett mycket stort område på himlavalvet. Med ett vanligt teleskop skulle det ta hundra nätter att tröska igenom ett så stort område. Just därför bestämde vi oss för att inom vårt eget projekt på Palomar uppgradera till en mycket större kamera, ZTF (Zwicky transient facility, se F&F 8/2015). Med ZTF skulle det bara ta en halvtimme att tråla ett område av samma storlek.

Baserat på Stephan Rosswogs beräkningar hade vi nyligen tänkt ut hur vi borde bära oss åt för att hitta en makronova med ZTF. Vi förväntade oss mycket ljussvaga, röda källor, och beställde därför ett extra rödkänsligt filter för att vara beredda.

Det område där den nyupptäckta GW170817 skulle finnas var bara en trettiondel så stort som det område där källan till de första gravitationsvågorna hade ringats in. Det motsvarar storleken av 150 fullmånar på himlen. Dessutom verkade signalen komma från ett avstånd på ”bara” 130 miljoner ljusår. Det är nästgårds för dagens skjutjärnsastronomer, och man kunde snabbt koka ner listan på tänkbara värdgalaxer till ungefär 50 stycken. Jakten var i gång!

Men trots att en dröm för oss astronomer nu tycktes gå i uppfyllelse var min första reaktion NEJ, inte nu! Vi hade ju jobbat i flera år med att göra ZTF till världens bästa kamera i sitt slag – men den skulle inte bli klar förrän senare under hösten. Nu, när det faktiskt var dags, satt vi alltså där på en byggarbetsplats utan kamera …

Men andra var bättre rustade. Att hitta den visuella källan bakom GW170817 var inte ens svårt. I stället för en knappt synlig, infraröd dimfläck visade sig en ny ljusstark blå ljuskälla i den välkända galaxen NGC 4993. Snart hade minst sex oberoende forskarlag upptäckt objektet. Nu riktades alla involverade teleskop mot den ännu hemliga ljuskällan. Hubbleteleskopet och flera andra rymdteleskop girade i riktning mot NGC 4993. De stora åtta-meters teleskopen på Paranal i Chile gick varma.

Det blev en kamp mot klockan. Redan när GW170817 upptäcktes var den knepig att observera från jorden; den syntes bara någon knapp timme efter solnedgången. Under de kommande tre veckorna, medan objektet falnade och samtidigt sakta försvann in bakom solen, jäktade astronomerna för att samla in så mycket data som möjligt. Allt under största hemlighetsmakeri, även om internet bubblade av rykten.

Dagen D bestämdes till den 16 oktober. Detta var dagen då Ligo-konsortiet skulle avslöja hemligheten om den nya upptäckten. Först då fick de uppemot 50 vetenskapliga artiklarna som i smyg författats runt om i världen publiceras. Jag var själv med och publicerade resultat i de två tidskrifterna Science och Nature, och Stephan Rosswog ledde även en artikel där han förklarade fyndets betydelse för bildandet av de kosmiska grundämnena.

Forskarna har alltså för första gången lyckats hitta gravitationsvågor från kolliderande neutronstjärnor, och vi kunde dessutom studera objektet i elektromagnetisk strålning – från gammastrålning, över synligt och infrarött ljus, till radiovågor. Makronovan var till en början ljusare än väntat, men på det stora hela stämmer observationerna väl med Rosswogs förutsägelser om att r-processämnen skapas och kastas ut i dessa explosioner.

Det verkar alltså som om många av de sällsynta men viktiga ämnen som vi använder varje dag har skapats just när supertäta neutronstjärnor har krockat. Det har vi kunnat observera genom att lägga samman information från både gravitationsstrålning och elektromagnetisk strålning från ett och samma objekt.

En ny era i astronomin har inletts.