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Brandenburg Verschmelzende Neutronensterne belauscht
Brandenburg Verschmelzende Neutronensterne belauscht
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17:03 16.03.2018
Es kracht gewaltig: Künstlerische Darstellung der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Quelle: Ligo
Potsdam

Das Ereignis muss wieder gigantisch gewesen sein. Die glühenden Sterne umkreisten sich wie wütende Duellanten. Es waren leuchtende Himmelskörper, kleinen Sonnen nicht unähnlich. Für kosmische Verhältnisse waren es jedoch Zwerge, kaum größer als eine deutsche Großstadt. Aber es waren äußerst schwergewichtige Zwerge. Ihre Materie war durch die eigene Schwerkraft so zusammengequetscht worden, dass die Elektronen und Protonen ihrer Atome zu Neutronen verbacken worden waren. Die beiden tanzenden Sterne brachten jeder für sich mehr als die Masse unserer Sonne auf die Waage, nahmen dafür aber noch nicht einmal den Bruchteil von deren Raum ein. Es waren sogenannte Neutronensterne. Wie schwarze Löcher sind Neutronensterne das Endstadium eines sterbenden Sterns. In ihrer Jugend waren sie aber nicht übermäßig groß. Deshalb konnten sie später nicht zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Sie blieben auch nach ihrem Tod leuchtende Objekte, wenn auch von wahnsinniger Dichte.

Fast ein Schwarzes Loch

Neutronensterne sind kosmische Gebilde die im wesentlichen aus Neutronen, bestehen. Neutronen sind normalerweise Bestandteile von Atomkernen und kommen unter Normalbedingungen nur in solchen vor. Der Neutronenstern jedoch steht am Ende einer Sternentwicklung und stellt das Endstadium eines massereichen Sterns dar. Der ehemals riesige Stern wurde auf eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 10 bis 20 Kilometern zusammengequetscht. Neutronensterne sind damit fast schon so dicht wie Schwarze Löcher. Im Gegensatz zu jenen strahlen sie auch Licht ab.

Theoretische Modelle der Neutronensterne wurden schon in den späten 1930er-Jahren vorgelegt., aber erst 1967 entdeckten die Astronomen Jocelyn Bell, Antony Hewish und Martin Ryle Radioimpulse von einem Pulsar, der später als isolierter, rotierender Neutronenstern interpretiert wurde. Neutronensternen sind ein höchst begehrtes Forschungsobjekt. Die Details ihres Verhaltens und ihrer Zusammensetzung sind noch unbekannt. Vor allem sind aber die Eigenschaften ihrer Materie die extremsten in der Natur, die überhaupt noch beobachtet werden können. bra

Zwei solcher Neutronensterne also waren sich vor etwa 130 Millionen Jahren vermutlich in der Galaxie NGC 4993 gefährlich nahe gekommen. Ihr Tanz wurde schneller und schneller. Zum Schluss fegten sie mit halber Lichtgeschwindigkeit umeinander, dann vereinigten sie sich in einer gewaltigen Explosion zu einem einzigen Gebilde. Natürlich machte sich ein solches kosmisches Megaereignis wieder in Form von relativ starken Gravitationswellen bemerkbar, jenen Kräuselungen der Raum-Zeit, die bei solch enormen Massen für ihre Verhältnisse geradezu gigantische Ausmaße annehmen. Bis diese Wellen die Erde erreichten, vergingen rund 130 Millionen Jahre. Am 17. August 2017 war es soweit.

Gravitationswellen und Licht

Sowohl die beiden amerikanischen Ligo-Detektoren wie auch der europäische Laser-Interferometer Virgo schlugen gegen 14.41 Uhr mitteleuropäischer Zeit aus. Nachdem bislang schon vier von den Gravitationswellendetektoren aufgefangene Ereignisse sicher als Gravitationswellen bestimmt worden sind, war das im Grunde gar nichts Besonderes mehr. Und doch war diesmal alles anders. Denn die verschmolzenen Objekte waren keine unsichtbaren Himmelskörper wie die Schwarzen Löcher. Beim Verschmelzen der beiden Neutronensterne entstand auch ein unglaublich starker Gammablitz, der parallel zu den Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit durchs All gefegt war. Zum ersten Mal haben die Astrophysiker ein Gravitationswellenereignis deshalb nicht nur gemessen, sondern dessen Quelle auch sehen können.

Eines der Teleskope, die den Gammablitz auffingen, ist das Swope Telescope des Carnegie Observatoriums, das auf dem Cerro de Las Campanas in Chile steht und normalerweise Supernovae, riesige Sternexplosionen, beobachtet. Ausgerechnet Studenten bemerkten den Gammablitz zuerst, konnten ihn aber nicht einordnen. Als einer ihrer Chefs, der Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Universität von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz, Ryan Foley, von der Gravitationswellenmessung erfuhr, war es in Chile heller Tag. Die Astronomen suchten nach Einbruch der Dunkelheit sofort den von den Gravitationswellenphysikern benannten Raum ab – und fanden tatsächlich den optischen Nachhall der Explosion. Mehrere Teleskope entdeckten einen neuen Lichtpunkt, ähnlich eines Sterns in der Nähe der Galaxie NGC 4993.

70 optische Zeugen weltweit

Foley und seine Leute waren nicht die einzigen Zeugen. Rund 70 astronomische Observatorien auf der Erde und im All nahmen das elektromagnetische Signal der Neutronensternverschmelzung in allen möglichen Spielarten wahr: als Röntgenstrahlung, als ultraviolettes, als infrarotes und sogar als sichtbares Licht. Aber erst Anfang der dritten Oktoberwoche gaben die Astrophysiker ihre großartige Entdeckung bekannt.

„Selbst in meinen wildesten Träumen hatte ich nicht zu hoffen gewagt, dass wir gleichzeitig zur ersten Entdeckung eines Doppelneutronensterns durch Gravitationswellen den entsprechenden Gammastrahlenblitz und die elektromagnetischen Signale nachweisen würden“, sagt Bruce Allen, Direktor des Albert-Einstein-Instituts (AEI) in Hannover, dem Schwesterinstitut der Forschungseinrichtung in Potsdam-Golm. Jetzt beginnt nach Auskunft der Forscher tatsächlich eine neue Epoche der Astrophysik. Die schon viele hundert Jahre alte Technik der Sternbeobachtung mittels optischer Signale und anderer elektromagnetischer Wellen wird mit der Gravitationswellendetektion zur „Multi-Messenger-Astronomie“ verknüpft. Damit werden völlig neue Erkenntnisse möglich.

Begeistert von den neuen Möglichkeiten ist man deshalb nicht nur in Hannover und Golm, sondern auch in Babelsberg. Matthias Steinmetz, Direktor des Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), sagt: „Das ist spektakulär!“ Die Gravitationswellendetektoren hätten sich als eine Art Alarmanlage erwiesen, die den Astronomen gezeigt hätten, wohin sie schauen mussten, um den Gammablitz der verschmelzenden Neutronensterne zu erhaschen. „Bisher sind solche Dinge eher zufällig entdeckt worden, da war die entscheidende Phase aber schon vorbei.“ Nicht so bei dem auf den Namen GW170817 getauften Ereignis der Neutronensternverschmelzung. „Diesmal haben wir gesehen, wie dabei neue Elemente entstehen.“

Möglich war das durch die Spektralanalyse des ganz frischen Gammablitzes. Lange hatten Forscher über den Ursprung der schwersten chemischen Elemente gerätselt. Jetzt gab der Gammablitz Hinweise auf Elemente wie Gold, Platin oder Blei. Das begeistert auch Steinmetz’ Kollegen Hans-Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching: „Jetzt haben wir den ersten Beweis durch Beobachtungen, dass kollidierende Neutronensterne als Ursprung für diese Elemente in Frage kommen.“

Die Hubble-Konstante neu bestimmen

Steinmetz findet aber noch etwas anderes interessant. Der früherer Direktor des Golmer AEI, Bernard Schutz, hatte schon vor 20 Jahren gesagt, dass man mit dem Verschmelzen zweier Neutronensterne die sogenannte Hubble-Konstante genauer bestimmen könne. Diese gibt Auskunft über die Geschwindigkeit, mit der sich das All ausdehnt. „Wir sind als Astronomen bei fundamentalen Gesetzen immer auch auf Modelle angewiesen“, so Steinmetz. Doch je mehr konkrete Ereignisse in diese Modelle einflössen, desto präziser würden sie. Künftig würden die Detektoren noch viel mehr Gravitationswellen auffangen und helfen, die Hubble-Konstante zu präzisieren. Dadurch lasse sich auch das Alter des Alls genauer bestimmen. Schon jetzt konnten Forscher durch die Analyse des Gravitationswellensignals zeigen, dass bisherige Berechnungen zur Verformungen der Neutronensterne kurz vor der Verschmelzung offenbar nicht zutreffen.

Dass dieses neue Forschungsfenster in den Kosmos aufgestoßen wurde, ist auch zum Teil den Wissenschaftlern in Golm selbst zu verdanken. Die Golmer haben Berechnungen und Simulationen angewandt, um herauszufinden, welche Wellenformen die Kollision von Neutronensternen erzeugen müsste. Sie haben auch die abstoßenden Kernkräfte in den Neutronensternen vorherhergesagt. Nicht zuletzt haben sie die elektromagnetischen Signale untersucht, die durch den Auswurf von Materie bei der Verschmelzung entstanden sind, und so etwas über die Entstehung der schweren Elemente erfahren. Die Sternenkollision GW170817 habe „eine spektakuläre Sequenz astrophysikalischer Beobachtungen in Gang gesetzt, dabei langjährige Rätsel gelöst und uns andere Rätsel aufgegeben“, sagt die Chefin des Potsdamer Teams, Alessandra Buonanno. Und freut sich schon auf weitere Ereignisse, die den Teleskopen und Interferometer ins Netz gehen werden.

Von Rüdiger Braun

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