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Kilonova nachgewiesen: Forscher beobachten erstmals direkt Quelle von Gravitationswellen

Die größten Detektoren haben schon mehrmals Gravitationswellen als Zeugnisse extremster Ereignisse im All registriert. Nun konnten sie dank ihnen erstmals direkt die Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachten. Für Astronomen beginnt eine neue Ära.

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Kilonova

Künstlerische Darstellung der verschmelzenden Neutronensterne und der dabei entstehenden Gravitationswellen

(Bild: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)

Zwei Jahre nach dem ersten Nachweis von Gravitationswellen ist es Forschern gelungen, eine Quelle solcher Verformungen der Raumzeit im sichtbaren Licht und weiterer elektromagnetischer Strahlung zu beobachten. Damit bewahrheitet sich die euphorische Aussicht auf eine neue Form der Astronomie dank der Gravitationswellenforschung schneller als es viele erwartet haben dürften. Bei dem nun beobachteten Ereignis namens GW170817 handelt es sich laut Europäischer Südsternwarte (ESO) um eine Kilonova. Die sind etwa 1000 Mal heller als normale Novae und entstehen, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen. Die bahnbrechende Entdeckung wurde am Montagnachmittag gleichzeitig von vielen beteiligten Wissenschaftlern vorgestellt.

Erste Gravitationswellen-Quelle beobachtet (13 Bilder)

Die Überreste der Kilonova als Fusion zweier Neutronensterne – aufgenommen mit dem VIMOS-Spektrograph der Europäischen Südsternwarte.
(Bild: ESO)

Neutronensterne messen bei mehr als einer Sonnenmasse nur wenige Kilometer und sind die Endstadien massereicher Sterne. Abgesehen von Schwarzen Löchern sind sie die dichtesten bekannten Objekte im Universum. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne in einer Kilonova wurde vor 30 Jahren erstmals beschrieben und jetzt tatsächlich beobachtet. Die dabei gesammelten Daten stimmen "erstaunlich gut" mit den Vorhersagen überein, so die ESO. "Es ist nicht nur ein Triumph für die Theoretiker und eine Bestätigung, dass die Ereignisse, die wir mit LIGO und Virgo gemessen haben, tatsächlich real sind, sondern auch ein Erfolg für die ESO, dass sie einen solch erstaunlichen Datensatz einer Kilonova sammeln konnte", meint der italienische Astrophysiker Stefano Covino.

Wie die ESO erläutert, liegt dieser spektakulären Beobachtung die fünfte Messung von Gravitationswellen durch das US-amerikanische Ligo-Instrument zugrunde – diesmal im Verbund mit dem Virgo-Interferometer in Italien. Ligo und Virgo spürten die winzigen Verformungen der Gravitationswellen am 17. August – zwei Sekunden bevor zwei Weltraumteleskope der NASA und ESA einen kurzen Gammastrahlenausbruch am Himmel registrierten. Dank der viel genaueren Lokalisierung des Ursprungs durch den Rückgriff auf zwei Detektoren, konnten Forscher den Himmelsbereich aus dem sie stammten auf etwa 35 Quadratgrad eingrenzen. Danach begann die Arbeit der Astronomen.

Die Veränderung der Kilonova im Verlauf weniger Tage – Quelle: ESO/E. Pian/S. Smartt & ePESSTO/N. Tanvir/VIN-ROUGE
Die Lokalisierung der Kilonova – Quelle: N. Risinger (skysurvey.org), LIGO-Virgo, Digitized Sky Survey 2, ESO

Wie die ESO berichtet, wurden in der hereinbrechenden Nacht in Chile viele Teleskope auf die Himmelsregion gerichtet – in der Hoffnung, einen neuen Lichtpunkt zu entdecken. Das gelang schließlich dem Swope-Teleskop, das zum Las-Campanas-Observatorium (LCO) der Carnegie Institution for Science gehört. Nahe der Galaxie NGC 4993 im Sternbild Wasserschlange (Hydra) war ein neues Objekt aufgetaucht.

Die ESO-Teleskope erfassten den rasch heller werdenden Himmelskörper dann genauso wie später die ersten Teleskope auf Hawaii. Die dann beginnende Beobachtungskampagne war der seltene Beginn einer neuen Ära der Forschung, erklärt die italienische Astronomin Elena Pian, die eine der wissenschaftlichen Aufarbeitungen leitete.

Animation einer Kilonova – Quelle: ESO/L. Calçada

In der Folge wurden an verschiedenen Teleskopen außerplanmäßige Analysen vorgenommen, um das sich rasch entwickelnde Ereignis und seine Nachwirkungen möglichst umfassend analysieren zu können. Beteiligt waren unter anderem das Very Large Telescope (VLT), das New Technology Telescope und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Weltweit blickten 70 Teleskope auf den sich rasch wandelnden Lichtpunkt, darunter auch das Weltraumteleskop Hubble der NASA.

Sie alle beobachteten die Kilonova, die zuerst sehr hell und blau wirkte, innerhalb weniger Tage aber dunkler und röter wurde. Die Quelle liegt nach Meinung der Forscher in 130 Millionen Lichtjahren Entfernung. So nah war noch keine Quelle beobachteter Gravitationswellen und eines Gammastrahlenausbruchs.

Mit dieser Beobachtung beginnt nun die "neue Ära der Multi-Messenger-Astronomie", macht der Astrophysiker Andrew Levan die Tragweite deutlich. Dank Ligo und Virgo können Forscher Ereignisse im Universum nun über die Auswertung fundamental unterschiedlicher Quellen analysieren.

[Update 16.10.2017 – 16:20 Uhr] Inzwischen haben die beteiligten Wissenschaftler weitere Details der Entdeckung erläutert. Demnach gehen sie davon aus, dass die beiden inzwischen verschmolzenen Neutronensterne jeweils etwa 1,6 und 1,1 Mal so viel Masse vereinten, wie unsere Sonne. Gleichzeitig maßen sie nicht mehr als 20 Kilometer im Durchmesser. Zuletzt umkreisten sie einander in 300 Kilometern Entfernung immer schneller und lösten dabei die gemessenen Gravitationswellen aus. Die waren zwar schwächer, aber viel langanhaltender, als alle bislang beobachteten. Dass die gleichzeitig mit dem Licht auf der Erde eintrafen, bestätigt auch erneut Albert Einstein, dessen Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt hatte, dass Gravitationswellen Lichtgeschwindigkeit erreichten.

Wo die Elemente synthetisiert wurden beziehungsweise werden.

(Bild:  Jennifer Johnson, CC BY 2.0 )

[Update 16.10.2017 – 16:40 Uhr] Die Beobachtungen in den "Sekunden, Stunden, Tagen und Wochen" nach der ursprünglichen Entdeckung haben außerdem gezeigt, dass bei den Kollisionen von Neutronensternen tatsächlich die Hälfte aller Elemente synthetisiert werden, die schwerer sind als Eisen – darunter Gold und Platin. Das ergänzt das California Institute of Technology. In den Infrarot-Spektren seien Anzeichen dieser Elemente gefunden worden. "Zum ersten Mal haben wir einen unzweifelhaften Beweis für eine kosmische Mine, die mehr als das zehntausendfache der Masse der Erde an schweren elementen wie Gold, Platin und Neodym produziert", beschreibt Mansi Kasliwa.

[Update 16.10.2017 – 17:05 Uhr] Forscher der Europäischen Südsternwarte wollen am Montagabend auf Reddit Fragen zu der Entdeckung beantworten.

Vergleich der bislang beobachteten Gravitatonswellen (LVT151012 wurde nicht bestätigt) – Quelle: ESO

(mho)

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