Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen gemessen

Das kosmische Ereignis wurde außerdem im sichtbaren Licht beobachtet und liefert zudem eine Erklärung für die Gammablitze

Zum ersten Mal haben Forscher die Gravitationswellen gemessen und gleichzeitig das Licht von zwei verschmelzenden Neutronensternen in mehreren Bereichen des elektromagnetischen Spektrums registriert. Diese Entdeckung am 17. August bestätigt, dass die Kollision von zwei Neutronensternen in der Tat zu einem kurzen Gammastrahlenausbruch führt und dass die folgende Explosion – eine sogenannte Kilonova – der Ursprung schwerer Elemente im Universum ist. Bei den Beobachtungen haben Forscher der Max-Planck-Institute für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover sowie der Max-Planck-Institute für Astrophysik und für extraterrestrische Physik in Garching eine zentrale Rolle gespielt.

Tanz der Schwergewichte: Zwei Neutronensterne umkreisen einander auf immer engeren Bahnen. Dabei werden Gravitationswellen ausgesendet. Dieses Szenario haben Astrophysiker schon lange in der Theorie studiert. Sie vermuteten auch, dass Neutronensterne - die Leichen ausgebrannter, massereicher Sonnen - beim Verschmelzen zu einer sogenannten Kilonova werden und dabei als Gammablitz aufleuchten. Das Bild des realen Ereignisses GW170817 stammt aus einer numerisch-relativistischen Simulation. © Numerisch-relativistische Simulation: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) und BAM-Kollaboration; Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-PlanckInstitut für Gravitationsphysik) Tanz der Schwergewichte: Zwei Neutronensterne umkreisen einander auf immer engeren Bahnen. Dabei werden Gravitationswellen ausgesendet. Dieses Szenario haben Astrophysiker schon lange in der Theorie studiert. Sie vermuteten auch, dass Neutronensterne - die Leichen ausgebrannter, massereicher Sonnen - beim Verschmelzen zu einer sogenannten Kilonova werden und dabei als Gammablitz aufleuchten. Das Bild des realen Ereignisses GW170817 stammt aus einer numerisch-relativistischen Simulation. © Numerisch-relativistische Simulation: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) und BAM-Kollaboration; Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-PlanckInstitut für Gravitationsphysik)

Die beiden LIGO-Detektoren in Hanford (US-Bundesstaat Washington) und Livingston (Louisiana) beobachteten das GW170817 genannte Signal für rund 100 Sekunden. Die Messungen des Virgo-Detektors in der Toskana nahe Pisa verbesserten die Lokalisierung am Firmament erheblich und erlaubten es den Forschern, den Ursprung der Welle auf einen Fleck am Südhimmel von nur 28 Quadratgrad – die rund 130-fache scheinbare Größe des Vollmonds – einzuschränken.

Nur 1,7 Sekunden später registrierte der Gamma-ray Burst Monitor (GBM) an Bord des Satelliten Fermi einen Gammastrahlenblitz, GRB 170817A genannt, aus ungefähr der gleichen Richtung wie das Gravitationswellensignal. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Zusammentreffen rein zufällig entsteht, liegt bei eins zu 200 Millionen – die Gewinnchancen auf einen Sechser im Lotto sind deutlich besser!

„Zuerst schien der Nachweis dieses neuen Gammastrahlenausbruchs mit Fermi nichts Außergewöhnliches zu sein“, sagt Andreas von Kienlin, der als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik am Bau des Instruments beteiligt war. „Denn wir sehen wöchentlich etwa vier bis fünf neue Gammablitze.“ Erst später erfuhr der Forscher von den Messungen der Observatorien LIGO und Virgo: „Da wussten wir sofort, dass es sich um ein historisches Ereignis handelte.“

Bezeichnenderweise wurden die Gammastrahlen und die Gravitationswellen nicht genau zur selben Zeit detektiert, sondern mit einem Zeitunterschied von etwa zwei Sekunden. „Diese und die anderen Beobachtungen geben uns einzigartige Einblicke in die Physik rund um dieses Ereignis“, so von Kienlin.

Energiereiche Strahlung aus der Verschmelzung hatte auch Integral beobachtet, eine weitere Gammastrahlenmission mit einem Max-Planck-Instrument – dem SPI – an Bord. „Das von uns beobachtete Signal war zwar nicht sehr hell, aber wir können das Fermi-Ereignis mit einer völlig unabhängigen Gammastrahlendetektion bestätigen“, sagt Roland Diehl, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Co-Experimentator des SPI. „Beim Zusammenhang von Gammastrahlenausbruch und Gravitationswellensignal finden wir uns dadurch auf sicherem Terrain. Außerdem können wir einen kurzen Gammablitz zum ersten Mal eindeutig mit einer Neutronenstern-Kollision in Verbindung bringen“, so Diehl.

Die sehr präzise Lokalisierung der LIGO-Virgo-Beobachtung erlaubte es einer Handvoll von Observatorien rund um den Globus, nur wenige Stunden später den Himmelsbereich abzusuchen, aus dem das Signal kam. Optische Teleskope, darunter das GROND-Instrument des 2,2-Meter-Teleskops der Max-Planck-Gesellschaft am La Silla-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO), entdeckten einen neuen Lichtpunkt, ähnlich einem Stern in der Nähe der Galaxie NGC 4993. Dieses linsenförmige Milchstraßensystem ist etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Beobachtung in drei Schritten: Das erste Zeichen der Neutronenstern-Verschmelzung am 17. August 2017 war ein kurzer Ausbruch von Gammastrahlen, die der US-amerikanische Satellit Fermi (oben) entdeckte. Bald darauf meldeten Wissenschaftler der LIGO-Virgo-Kooperation, dass ihre Detektoren die Gravitationswellen 1,7 Sekunden vor dem Fermi-Burst (Mitte) aufgezeichnet hatten. Wenig später berichteten Wissenschaftler, dass der Blitz auch mit einem Instrument an Bord des europäischen Satelliten Integral gesehen wurde. © NASA's Goddard Space Flight Center, Caltech/MIT/LIGO Lab and ESA Beobachtung in drei Schritten: Das erste Zeichen der Neutronenstern-Verschmelzung am 17. August 2017 war ein kurzer Ausbruch von Gammastrahlen, die der US-amerikanische Satellit Fermi (oben) entdeckte. Bald darauf meldeten Wissenschaftler der LIGO-Virgo-Kooperation, dass ihre Detektoren die Gravitationswellen 1,7 Sekunden vor dem Fermi-Burst (Mitte) aufgezeichnet hatten. Wenig später berichteten Wissenschaftler, dass der Blitz auch mit einem Instrument an Bord des europäischen Satelliten Integral gesehen wurde. © NASA's Goddard Space Flight Center, Caltech/MIT/LIGO Lab and ESA

Für die Astronomen steht daher fest: Das optische Objekt, der Gammastrahlenausbruch und die Gravitationswellendetektion stammen alle aus ein und derselben Quelle: der Verschmelzung eines Paars von Neutronensternen. Letztendlich beobachteten mehr als 70 Observatorien auf der Erde und im All das Ereignis im Bereich der Röntgenstrahlung, im Ultravioletten, im sichtbaren Licht, im Infraroten und mit Radiowellen.

„Diese übereinstimmenden Beobachtungen geben uns ein detailliertes Bild dieses Ereignisses von drei Minuten vor der Verschmelzung bis zu einigen Wochen danach“, sagt Jochen Greiner, der am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik für den Bau von GROND verantwortlich war.

Diese Meinung teilen auch die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Potsdam: „Der erste Nachweis der Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen ist für sich allein genommen schon extrem spannend. Aber die Kombination mit Dutzenden von Folgebeobachtungen im elektromagnetischen Spektrum macht es wirklich revolutionär“, sagen Alessandra Buonanno und ihre Direktorenkollegen Bruce Allen und Karsten Danzmann.

Die Analysen der LIGO-Daten stellten eine relativ geringe Entfernung zur Neutronensternverschmelzung von rund 85 bis 160 Millionen Lichtjahren fest, in Übereinstimmung mit den 130 Millionen Lichtjahren Distanz der vermuteten Ursprungsgalaxie NGC 4993. Im Gegensatz zu vorherigen Gravitationswellen-Beobachtungen berechneten die Wissenschaftler aus dem Kurvenverlauf und der Dauer des Signals die Massen der verschmelzenden Objekte zu 1,1- bis 1,6-mal der unserer Sonne, vergleichbar mit denen bekannter Neutronensterne und nicht in Übereinstimmung mit denen von schwarzen Löchern.

Die Identifikation von GW170817 als Doppelsternsystem aus zwei Neutronensternen und Beobachtungen von elektromagnetischer Strahlung nach deren Kollision erlaubten Rückschlüsse auf den bisher rätselhaften Ursprung der kurzen Gammastrahlenblitze. Dass daran Neutronensterne beteiligt sind, vermuteten die Astronomen schon länger. Diese Objekte entstehen, wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens in einer gewaltigen Explosion - Supernova genannt - zerbirst. In einer solchen nur etwa 20 Kilometer durchmessenden Kugel ist die Materie extrem stark komprimiert; ein Teelöffel voll würde auf der Erde ungefähr 100 Milliarden Tonnen wiegen.

Lichtpunkt im Fadenkreuz: Das Bild zeigt die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernte Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra, in der die beiden Neutronensterne explodierten. Diese sogenannte Kilonova erscheint als heller Stern. Derartige Objekte sind die Hauptquelle für sehr schwere chemische Elemente wie Gold und Platin im Universum. © ESO/S. Smartt & T.-W. Chen Lichtpunkt im Fadenkreuz: Das Bild zeigt die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernte Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra, in der die beiden Neutronensterne explodierten. Diese sogenannte Kilonova erscheint als heller Stern. Derartige Objekte sind die Hauptquelle für sehr schwere chemische Elemente wie Gold und Platin im Universum. © ESO/S. Smartt & T.-W. Chen

„Es gab zwar bereits deutliche Hinweise darauf, dass Verschmelzungen von Neutronensternen in der Tat die Quellen kurzer Gammablitze sind, aber wir hatten keinen endgültigen Beweis. Die gleichzeitige Beobachtung dieses zwei Sekunden langen Blitzes durch Integral und Fermi sowie durch die Gravitationswellendetektoren ist der erste überzeugende Beleg dafür, dass zumindest einige dieser Gammablitze tatsächlich durch Neutronenstern-Verschmelzungen entstehen“, sagt Rashid Sunyaev, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik.

„Die physikalischen Parameter der nur kurz aufleuchtenden Quelle stimmen auffallend gut mit den theoretischen Vorhersagen für eine sogenannte Kilonova überein“, ergänzt Anders Jerkstand vom selben Institut. „Vor allem die Rate, mit der die Leuchtkraft der Quelle im Verlauf von zehn Tagen nach der Verschmelzung abnahm, entspricht exakt der Vorhersage, dass im ausgeschleuderten Material radioaktive Elemente dominieren, die viel schwerer als Eisen sind.“

Die Verschmelzung zweier Neutronensterne in einem Gammablitz setzt enorme Energiemengen frei. Gleichzeitig wird dichte Materie mit hoher Geschwindigkeit ausgeschleudert. Da dieses ausgeworfene Material eine hohe Konzentration an freien Neutronen aufweist, können sich daraus die schwersten Elemente im Universum zusammenfügen, etwa Gold, Platin oder Blei. Der hierbei ablaufende Prozess wird als schneller Neutroneneinfang bezeichnet, oder kurz r-Prozess (für das englische „rapid/schnell“).

„Der Ursprung der schwersten chemischen Elemente im Universum hat uns lange vor Rätsel gestellt“, sagt Hans-Thomas Janka, leitender Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Jetzt haben wir den ersten Beweis durch Beobachtungen, dass kollidierende Neutronensterne als Ursprung für diese Elemente in Frage kommen. Sie könnten sogar die Hauptquelle für r-Prozess-Elemente darstellen.“

Die Beobachtung und Charakterisierung von minutenlangen Signalen verschmelzender Neutronensterne, die sich im Detektorrauschen verbergen, erfordert sehr präzise Wellenformmodelle. Mitglieder der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativität“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik haben Modelle entwickelt, die als Vorlagen in den Optimalfilter-Suchen zum Einsatz kamen, die GW170817 entdeckten.

Max-Planck-Forscher spielten außerdem eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Durchführung der Suchalgorithmen, die GW170817 beobachteten. Als Mitglieder des Teams, welches das Signal unmittelbar nach der Entdeckung untersuchte, entfernten sie sofort einen lautes, vorübergehendes Störsignal in Daten des LIGO-Livingston-Instruments.

Damit ließ sich die Himmelsposition so genau bestimmen, dass Astronomen binnen zwölf Stunden nach der Entdeckung von GW170817 ein schnell verblassendes Nachglühen im sichtbaren Licht beobachten konnten. Auf diese Weise bestimmten sie die Ursprungsgalaxie und die sogenannte Rotverschiebung; Letztere ermöglichte die Messung der Hubblekonstante und damit der Entfernung.

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik hat außerdem Analyse-Algorithmen und Wellenformmodelle mitentwickelt und angewandt, um damit die Quelle von GW170817 als Doppelsystem aus Neutronensternen zu identifizieren. Als weitere Erkenntnis sprechen die Resultate gegen Theorien, die stark abstoßende Kernkräfte annehmen, da diese relativ große und damit leicht verformbare Neutronensterne voraussagen.

Kosmische Energieschleuder: Wenn Neutronensterne verschmelzen, schleudert die Explosion einen Teil der Materie mit enormen Geschwindigkeiten in riesigen Jets ins All, wie in dieser künstlerischen Darstellung gezeigt. Die Jets erzeugen einen kurzen Gammastrahlenblitz (magenta). Die Wolke um das im Zentrum entstandene schwarze Loch lässt sich bei sichtbaren und Nahinfrarot-Wellenlängen beobachten. © NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab Kosmische Energieschleuder: Wenn Neutronensterne verschmelzen, schleudert die Explosion einen Teil der Materie mit enormen Geschwindigkeiten in riesigen Jets ins All, wie in dieser künstlerischen Darstellung gezeigt. Die Jets erzeugen einen kurzen Gammastrahlenblitz (magenta). Die Wolke um das im Zentrum entstandene schwarze Loch lässt sich bei sichtbaren und Nahinfrarot-Wellenlängen beobachten. © NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab

In Potsdam wurden sowohl analytische Berechnungen als auch numerische Simulationen angewandt, um modernste Wellenformmodelle zu konstruieren, die schwächere abstoßende Kernkräfte in den Neutronensternen von GW170817 vorhersagen. Max-Planck-Wissenschaftler haben darüber hinaus elektromagnetische Signale untersucht, die durch den Auswurf von Materie bei der Verschmelzung entstanden sind. Diese Signale enthalten Information über die oben erwähnte Entstehung schwerer Elemente im Universum.

„In einem Dominoeffekt hat GW170817 eine spektakuläre Sequenz astrophysikalischer Beobachtungen in Gang gesetzt, dabei langjährige Rätsel gelöst und uns andere Rätsel aufgegeben“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut in Potsdam. „Bemerkenswerterweise hat GW170817 uns auch Einblicke in die Natur von ultradichter Materie im Innern der faszinierendsten und extremsten Objekte des Universums erlaubt – der Neutronensterne.“

Wissenschaftler der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ am Institut in Hannover spielten eine zentrale Rolle in den ersten Stunden der Analyse sowie bei der Charakterisierung des Gravitationswellensignals und beim Verständnis der Quelle. „Selbst in meinen kühnsten Träumen hätte ich nicht zu hoffen gewagt, dass wir gleichzeitig zur ersten Entdeckung eines Doppelneutronensterns durch Gravitationswellen auch noch den entsprechenden Gammastrahlenblitz und die elektromagnetischen Signale nachweisen würden. Ich dachte wir würden so etwas erst nach 20 oder mehr Beobachtungen sehen. Das ist fantastisch!“, sagt Direktor Bruce Allen.

„Dies ist der Beginn der Multi-Messenger-Astronomie und eines tieferen Verständnisses unseres Universums. Wir sind sehr stolz darauf, eine zentrale Rolle bei der Messung von Gravitationswellen zu spielen, weil sich unsere im GEO600-Projekt entwickelten und getesteten Laser im Herzen aller Gravitationswellenobservatorien finden“, resümiert Max-Planck-Direktor Karsten Danzmann, Allens Kollege am Hannoveraner Institut.

EM / HAE / HOR / KNI