NASA-Missionen fangen erstmals Licht von einem Gravitationswellen-Ereignis ein

Swift-Beobachtung der Kilonova, die durch zwei verschmelzende Neutronensterne entstand. (Credits: NASA / Swift)
Swift-Beobachtung der Kilonova, die durch zwei verschmelzende Neutronensterne entstand. (Credits: NASA / Swift)

Erstmals haben NASA-Wissenschaftler Licht registriert, das mit einem Gravitationswellen-Ereignis in Zusammenhang steht. An dem Ereignis waren zwei verschmelzende Neutronensterne in der Galaxie NGC 4993 beteiligt, etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Hydra (Wasserschlange) gelegen.

Am 17. August 2017 um kurz nach 08:41 Uhr Eastern Daylight Time fing das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA einen Impuls hochenergetischen Lichts von einer starken Explosion auf, was sofort als kurzer Gammablitz an Astronomen auf der ganzen Welt weitergegeben wurde. Die Wissenschaftler am Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) der National Science Foundation registrierten Gravitationswellen von einem Paar kollidierender Sterne, die mit dem Gammablitz zusammenhingen. Das als GW170817 bezeichnete Gravitationswellen-Ereignis spornte die Astronomen an, nach den Nachwirkungen der Explosion zu suchen. Kurz danach wurde der Blitz im Rahmen einer Nachfolgebeobachtung von dem INTEGRAL-Satelliten der ESA registriert.

Die Weltraumteleskope Swift, Hubble, Chandra und Spitzer sowie Dutzende bodenbasierter Observatorien, darunter der von der NASA finanzierte Pan-STARRS Survey, fingen später das abklingende Leuchten der expandierenden Explosionsüberreste auf.

"Das sind extrem aufregende Beobachtungen", sagte Paul Hertz, der Direktor der Astrophysics Division am NASA-Hauptquartier in Washington. "Jetzt haben wir erstmals Licht und Gravitationswellen gesehen, die von demselben Ereignis produziert wurden. Die Beobachtung des Lichts von einer Gravitationswellenquelle hat Details über das Ereignis offenbart, die anhand der Gravitationswellen allein nicht bestimmt werden können. Der Mehrwert von Untersuchungen mit vielen Observatorien ist unglaublich."

Neutronensterne sind die kollabierten Kerne massereicher Sterne, die zuvor als Supernova explodierten. Die verschmelzenden Neutronensterne hatten wahrscheinlich Massen, die jeweils zwischen zehn und 60 Prozent größer als die Sonnenmasse waren, aber sie waren nicht größer als Washington, D.C. Das Paar wirbelte hunderte Male pro Sekunde umeinander und erzeugte Gravitationswellen mit der gleichen Frequenz. Als sie sich näherkamen und schneller umkreisten, brachen die Neutronensterne schließlich auseinander und verschmolzen, was einen Gammablitz produzierte und ein selten beobachtetes Aufleuchten, das als Kilonova bezeichnet wird.

"Darauf haben wir alle gewartet", sagte David Reitze, der ausführende Direktor des LIGO Laboratory am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena (Kalifornien). "Neutronensterne produzieren Licht in vielen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, weil die Objekte einen Wirbel aus heißen Überresten bilden, wenn sie kollidieren. Verschmelzende Schwarze Löcher (die Ereignisse, die LIGO und sein europäisches Pendant Virgo bereits registriert haben), verschlucken wahrscheinlich jegliche Materie lange vor der Kollision, so dass wir dabei nicht dieselbe Art von Lichtshow erwarten."

"Die bevorzugte Erklärung für kurze Gammablitze besagt, dass sie durch einen Jet aus Materieüberresten entstehen, der sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und bei der Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch erzeugt wird", sagte Eric Burns, ein Mitglied des Fermi Gamma-ray Burst Monitor Teams am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). "LIGO verrät uns, dass es dort eine Verschmelzung zweier kompakter Objekte gab, und Fermi sagt uns, dass es einen kurzen Gammablitz gab. Zusammengenommen wissen wir daher, dass wir die Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachtet haben, was die Beziehung eindrucksvoll bestätigt."

Innerhalb weniger Stunden nach der ersten Fermi-Beobachtung grenzten LIGO und der Virgo-Detektor am European Gravitational Observatory bei Pisa (Italien) mittels weiterer Analysen der Gravitationswellendaten die Position des Ereignisses am Himmel ein. Bodenbasierte Observatorien lokalisierten dann schnell eine neue optische und infrarote Quelle in NGC 4993 – die Kilonova.

Für Fermi sah es wie ein normaler kurzer Gammablitz aus, aber er fand in zehnmal geringerer Distanz statt als andere kurze Gammablitze mit bekannter Entfernung, was ihn zu einem der schwächsten bekannten Gammablitze macht. Astronomen versuchen noch festzustellen, warum dieser Gammablitz so seltsam ist und wie sich dieses Ereignis zu den helleren Gammablitzen in größeren Distanzen verhält.

Die Weltraumteleskope Swift, Hubble und Spitzer folgten der Entwicklung der Kilonova, um die Zusammensetzung ihrer langsameren Materie besser zu verstehen, während Chandra nach Röntgenstrahlen suchte, die mit den Überresten des ultraschnellen Jets verbunden ist.

Als Swift sich kurz nach Fermis Gammablitz-Beobachtung der Galaxie zuwandte, fand es eine helle und schnell abklingende Ultraviolettquelle. "Wir hatten nicht erwartet, dass eine Kilonova ultraviolette Emissionen produziert", sagte S. Bradley Cenko vom Goddard Space Flight Center, der leitende Wissenschaftler der Swift-Mission. "Wir vermuten, dass sie von der kurzlebigen Materiescheibe produziert wurde, die den Gammablitz erzeugte."

Mit der Zeit verlangsamt sich das von dem Jet fortkatapultierte Material und fächert sich auf, während es interstellare Materie aufheizt und ein sogenanntes Nachglühen produziert, darunter auch Röntgenstrahlung. Aber das Weltraumteleskop registrierte keine Röntgenstrahlung – überraschend für ein Ereignis, das energiereichere Gammastrahlen erzeugte.

Neun Tage nach der Entdeckung der Quelle registrierte das Chandra X-ray Observatory eindeutig Röntgenstrahlung. Wissenschaftler vermuten, dass die Verzögerung eine Folge unserer Beobachtungsperspektive war und der in Richtung Erde zeigende Jet Zeit brauchte, um sich in unsere Beobachtungslinie auszubreiten.

"Der Nachweis von Röntgenstrahlen demonstriert, dass Verschmelzungen von Neutronensternen gewaltige Jets erzeugen können, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit fortbewegen", sagte Eleonora Troja vom Goddard Space Flight Center. Troja leitete eines der Chandra-Teams und entdeckte die Röntgenemissionen. "Wir mussten neun Tage warten, um sie zu empfangen, weil wir sie von der Seite betrachteten – anders als alles, was wir zuvor beobachtet hatten."

Am 22. August 2017 begann das Weltraumteleskop Hubble damit, die Kilonova zu fotografieren und ihr nahinfrarotes Spektrum zu untersuchen, was die Bewegung und die chemische Zusammensetzung der expandierenden Überreste offenbarte. "Das Spektrum sah genau so aus, wie theoretische Physiker das Ergebnis einer Verschmelzung zweier Neutronensterne vorhergesagt hatten", sagte Andrew Levan von der University of Warwick in Coventry (England), der eines der Vorhaben bezüglich Hubbles Spektralbeobachtungen leitete. "Sie verknüpften dieses Objekt ohne jeden Zweifel mit der Gravitationswellenquelle."

Astronomen vermuten, dass das sichtbare und infrarote Licht einer Kilonova infolge der Aufheizung durch den Zerfall radioaktiver Elemente entsteht, die sich in den neutronenreichen Überresten bildeten. Kollidierende Neutronensterne könnten die dominante Quelle für viele der schwersten Elemente im Universum sein, darunter Platin und Gold.

Aufgrund seiner erdfolgenden Umlaufbahn konnte Spitzer die Kilonova beobachten, lange nachdem die Sonne zu nah an die Galaxie gewandert und letztere dadurch für andere Teleskope unbeobachtbar geworden war. Spitzers Beobachtung vom 30. September 2017 registrierte das langwelligste Infrarotlicht der Kilonova, was die Menge der entstandenen schweren Elemente beziffert.

"Spitzer gesellte sich als letztes dazu, wird aber das letzte Wort haben, wenn es darum geht zu sagen, wie viel Gold gebildet wurde", sagte Mansi Kasliwal, Assistenzprofessorin am Caltech und leitende Wissenschaftlerin des Spitzer-Beobachtungsprogramms.

Mehrere wissenschaftliche Abhandlungen, die diese Beobachtungen beschreiben und interpretieren, wurden in Science, Nature, den Physical Review Letters und dem Astrophysical Journal veröffentlicht. Gravitationswellen wurden erstmals im Jahr 2015 von LIGO direkt nachgewiesen. Dessen Architekten erhielten für die Entdeckung den Physik-Nobelpreis 2017.

Quelle

(THK)

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2 Kommentare

  1. Da haben sich die tollen Forscher was Tolles ausgedacht!
    Nach über anderthalb Jahren nach der vermeintlichen Entdeckung von Gravitationswellen im Februar 2016 wollen die tollen Forscher vom Leibnitz-Institut für Astrophysik in Potsdam und ihre Kollegen in aller Welt nun Gammablitze im All über Weltraumteleskope am 17.08.2017 (andere Quellen geben den 16.10.2017 an) ausgemacht haben, die sie den vermeintlichen Gravitationswellen zuordnen. Einfach eine tolle „Forschungsleistung“! Im All kann alles Mögliche geblitzt haben – ob da ein Zusammenhang zwischen den ominösen Gravitationswellen besteht, steht wirklich in den Sterne. Und zur Logik der Gleichzeitigkeit von Ereignissen die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten wäre zu konstatieren, dass auch die Gammablitze zum Zeitpunkt der angeblichen Detektion der Gravitationswellen registrierbar gewesen sein müssten! Und chemische Elemente werden nicht über Gammablitze identifiziert, sondern über das normale Lichtspektrum mittels der Spektralanalyse!
    Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen

  2. Eine Amplitude von 10-21 m ist momentan nicht messbar!
    Die amerikanischen Wissenschaftler konnten niemals Gravitationswellen nachgewiesen haben: Denn eine Amplitude von A=10-21 m kann niemals detektiert worden sein, weil momentan keine technischen Geräte und Methoden existieren, um eine Amplitude von A=10-21 m zu detektieren. Das höchste Auflösungsvermögen, was momentan existiert, beträgt ungefähr 10-15 m! Jede noch so kleine Störung (Fußgänger, verbeifahrendes Auto,…..) übt eine größere physikalische (mechanische) Wirkung auf die Laserdetektoren aus, wie die sogenannten Gravitationswellen. In Mecklenburg-Vorpommern, wohl im Müritz-Park wurden vor einiger Zeit Gravitationsexperimente/ Fallexperimente von Mitarbeitern einer Hochschule mit riesigen Feldsteinen (ca. im Tonnenbereich) durchgeführt. Dabei wurde der Wirkungseinfluss von Eisenbahnzügen und vorbeifahrenden Autos kontrolliert! Wenn die forschen Forscher wirklich etwas detektiert haben, dann muss es sich um einen Messfehler, um ein sogenanntes Artefakt gehandelt haben.
    Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen

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