Wissenschaftler haben zum ersten Mal in der Geschichte Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne aufgezeichnet - superdichte Objekte mit der Masse unserer Sonne und der Größe von Moskau. Der resultierende Gammastrahlenausbruch und ein Kilonova-Ausbruch wurden von etwa 70 bodengebundenen und Weltraumobservatorien beobachtet - sie konnten den von Theoretikern vorhergesagten Syntheseprozess schwerer Elemente, einschließlich Gold und Platin, beobachten und die Richtigkeit von Hypothesen über die Natur mysteriöser kurzer Gammablitze, berichtete der Pressedienst der Kollaboration LIGO/Virgo, European Southern Observatory und Los Cumbres Observatory. Beobachtungsergebnisse können das Rätsel um die Struktur von Neutronensternen und die Entstehung schwerer Elemente im Universum aufklären.
Am Morgen des 17. August 2017 (um 8:41 Uhr US-Ostküstenzeit, als es in Moskau 15:41 Uhr war) registrierten automatische Systeme an einem der beiden Detektoren des Gravitationswellenobservatoriums LIGO die Ankunft eines Gravitationswellen-Observatoriums Welle aus dem Weltraum. Das Signal erhielt die Bezeichnung GW170817, es war bereits der fünfte Fall der Fixierung von Gravitationswellen seit 2015, seit dem Moment ihrer ersten Registrierung. Erst drei Tage zuvor „hörte“das Observatorium LIGO gemeinsam mit dem europäischen Projekt Virgo erstmals eine Gravitationswelle.
Doch dieses Mal, nur zwei Sekunden nach dem Gravitationsereignis, entdeckte das Fermi-Weltraumteleskop einen Gammastrahlenausbruch am Südhimmel. Fast im selben Moment sah das europäisch-russische Weltraumobservatorium INTEGRAL den Ausbruch.
Die automatischen Datenanalysesysteme von LIGO haben festgestellt, dass das Zusammentreffen dieser beiden Ereignisse äußerst unwahrscheinlich ist. Bei der Suche nach zusätzlichen Informationen stellte sich heraus, dass die Gravitationswelle auch vom zweiten LIGO-Detektor gesehen, aber nicht vom europäischen Gravitationsobservatorium Virgo aufgezeichnet wurde. Astronomen auf der ganzen Welt waren "in Alarmbereitschaft" - die Jagd nach der Quelle von Gravitationswellen und Gammastrahlenausbrüchen begann viele Observatorien, darunter die Europäische Südsternwarte und das Hubble-Weltraumteleskop.
Ändern der Helligkeit und Farbe der Kilonova nach der Explosion
Die Aufgabe war nicht einfach - die kombinierten Daten von LIGO / Virgo, Fermi und INTEGRAL erlaubten es, eine Fläche von 35 Quadratgrad zu skizzieren - dies ist die ungefähre Fläche von mehreren hundert Mondscheiben. Nur 11 Stunden später machte das kleine Swope-Teleskop mit Meterspiegel in Chile das erste Bild der angeblichen Quelle - sie sah aus wie ein sehr heller Stern neben der elliptischen Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra. In den nächsten fünf Tagen nahm die Helligkeit der Quelle um das 20-fache ab und die Farbe wechselte allmählich von Blau zu Rot. Die ganze Zeit wurde das Objekt von vielen Teleskopen im Bereich von Röntgen bis Infrarot beobachtet, bis die Galaxie im September zu nahe an der Sonne war und für die Beobachtung unzugänglich wurde.
Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass die Quelle des Ausbruchs in der Galaxie NGC 4993 in einer Entfernung von etwa 130 Millionen Lichtjahren von der Erde lag. Es ist unglaublich nah, bis jetzt sind Gravitationswellen aus Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren zu uns gekommen. Dank dieser Nähe konnten wir sie hören. Die Quelle der Welle war die Verschmelzung zweier Objekte mit Massen im Bereich von 1, 1 bis 1,6 Sonnenmassen - dies konnten nur Neutronensterne sein.
Foto der Quelle der Gravitationswellen - NGC 4993, in der Mitte ist ein Blitz zu sehen
Der Ausbruch selbst "klang" für eine sehr lange Zeit - etwa 100 Sekunden, die Verschmelzung von Schwarzen Löchern führte zu Ausbrüchen, die den Bruchteil einer Sekunde dauerten. Ein Paar Neutronensterne kreiste um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt, verlor dabei allmählich Energie in Form von Gravitationswellen und konvergierte. Als der Abstand zwischen ihnen auf 300 Kilometer reduziert wurde, wurden die Gravitationswellen stark genug, um die Empfindlichkeitszone der LIGO / Virgo-Gravitationsdetektoren zu treffen. Wenn zwei Neutronensterne zu einem kompakten Objekt (Neutronenstern oder Schwarzes Loch) verschmelzen, entsteht ein starker Gammastrahlungsausbruch.
Astronomen nennen solche Gammastrahlenausbrüche kurze Gammastrahlenausbrüche; Gammastrahlenteleskope zeichnen sie etwa einmal pro Woche auf. Wenn die Natur langer GRBs verständlicher ist (ihre Quellen sind Supernova-Explosionen), gab es keinen Konsens über die Quellen von kurzen Ausbrüchen. Es gab eine Hypothese, dass sie durch Verschmelzungen von Neutronensternen erzeugt werden.
Nun konnten Wissenschaftler diese Hypothese erstmals bestätigen, denn dank Gravitationswellen kennen wir die Masse der verschmolzenen Komponenten, was beweist, dass es sich genau um Neutronensterne handelt.
„Seit Jahrzehnten vermuten wir, dass kurze Gammablitze zu Verschmelzungen von Neutronensternen führen. Dank der Daten von LIGO und Virgo zu diesem Ereignis haben wir jetzt eine Antwort. Gravitationswellen sagen uns, dass die verschmolzenen Objekte Massen hatten, die Neutronensternen entsprachen, und ein Gammastrahlenausbruch sagt uns, dass diese Objekte kaum Schwarze Löcher sein könnten, da die Kollision von Schwarzen Löchern keine Strahlung erzeugen sollte “, sagt Julie McEnery, Projektleiterin am Fermi Center, der NASA-Raumfahrt namens Goddard.
Darüber hinaus erhielten Astronomen erstmals eine eindeutige Bestätigung für die Existenz von Kilon- (oder "Makron")-Flares, die etwa 1000-mal stärker sind als herkömmliche Nova-Flares. Theoretiker sagten voraus, dass Kilonovs aus der Verschmelzung von Neutronensternen oder einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch entstehen könnten.
Dies löst die Synthese schwerer Elemente basierend auf dem Einfangen von Neutronen durch Kerne (r-Prozess) aus, wodurch viele der schweren Elemente wie Gold, Platin oder Uran im Universum auftauchten.
Laut Wissenschaftlern kann bei einer Explosion einer Kilonova eine riesige Menge Gold entstehen - bis zur zehnfachen Masse des Mondes. Bisher wurde nur ein Ereignis beobachtet, bei dem es sich um eine Kilonova-Explosion handeln könnte.
Nun konnten Astronomen erstmals nicht nur die Geburt der Kilonova, sondern auch die Produkte ihrer „Arbeit“beobachten. Spektren, die mit den Teleskopen Hubble und VLT (Very Large Telescope) aufgenommen wurden, zeigten das Vorhandensein von Cäsium, Tellur, Gold, Platin und anderen schweren Elementen, die durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstanden sind.
„Bisher stimmen die Daten, die wir erhalten haben, hervorragend mit der Theorie überein. Dies ist ein Triumph für Theoretiker, eine Bestätigung der absoluten Realität der von den Observatorien LIGO und Virgo aufgezeichneten Ereignisse und eine bemerkenswerte Leistung für die ESO, solche Beobachtungen der Kilonova zu erhalten “, sagt Stefano Covino, der erste Autor eines Artikels in Nature Astronomy.
Wissenschaftler haben noch keine Antwort auf die Frage, was nach der Verschmelzung von Neutronensternen übrig bleibt - es kann entweder ein Schwarzes Loch oder ein neuer Neutronenstern sein, außerdem ist nicht ganz klar, warum der Gammastrahlenausbruch relativ war schwach.
Gravitationswellen sind Schwingungswellen der Geometrie der Raumzeit, deren Existenz von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Erstmals kündigte die LIGO-Kollaboration im Februar 2016 ihre zuverlässige Detektion an – 100 Jahre nach Einsteins Vorhersagen. Was Gravitationswellen sind und wie sie bei der Erforschung des Universums helfen können, erfahren Sie in unseren speziellen Materialien - "Auf dem Kamm des metrischen Tensors" und "Eine Welle hinter der Welle".
