Am 9. Oktober 2022 registrieren Weltraumteleskope ein gewaltiges Ereignis tief im Kosmos: einen Gammablitz im Sternbild Pfeil, bei dem so viel hochenergetische Gammastrahlung abgegeben wird wie nie zuvor beobachtet. Dieses Ereignis war nicht nur von astronomischem Interesse, denn die ankommende Strahlung ließ kurzzeitig sogar geladene Teilchen in den obersten Schichten der Erdatmosphäre verrückt spielen. Störsignale im Radiobereich waren die Folge – und das trotz einer Entfernung von 2,4 Milliarden Lichtjahren.

Karl erzählt in dieser Folge, ob solche Ereignisse in größerer Nähe zu unserem Planetensystem das Leben auf der Erde beeinträchtigen könnten. Es geht wieder mal um Massensterben in der geologischen Geschichte – und wie neue Methoden aus Physik und Astrophysik helfen können, diese erdgeschichtlichen Kriminalfälle aufzuklären. Denn zurzeit machen solche Verfahren große Fortschritte. Die Asche vor langer Zeit explodierter Sterne wurde bereits in alten Sedimentschichten gefunden – und in einem Fall sogar einer Sternenleiche zugeordnet.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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Quelle: Universität Potsdam 20. Dezember 2023.

20. Dezember 2023 – Es gelang zum ersten Mal, die abgestrahlten Gravitationswellen, die Kilonova und das Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs der am 17. August 2017 beobachteten Verschmelzung zweier Neutronensterne parallel zu modellieren und zu interpretieren.

Die Studie und die dafür entwickelte Code-Infrastruktur liefern präzise Hinweise auf die Eigenschaften der Kernmaterie und bilden die Grundlage für die Analyse zukünftiger Ereignisse. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Unsere neue Methode wird dabei helfen, die Eigenschaften von Materie bei extremen Dichten zu untersuchen. Außerdem ermöglicht sie ein genaueres Verständnis davon, wie sich das Universum ausdehnt, und von der Art und Weise, wie und in welchem Ausmaß die schweren Elemente bei Neutronensternkollisionen entstehen“, erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Dietrich ist als korrespondierender Autor an der Veröffentlichung beteiligt.

Ein Neutronenstern ist ein extrem dichtes astrophysikalisches Objekt, das am Ende der Lebensdauer massereicher Sterne bei einer Supernova-Explosion entsteht. Ähnlich wie andere kompakte Objekte kreisen einige Neutronensterne in Doppelsternsystemen umeinander. Durch das kontinuierliche Aussenden von Gravitationswellen – kleinen Störungen im Gefüge der Raumzeit – verlieren sie Energie und stoßen schließlich zusammen. Solche Verschmelzungen ermöglichen es den Forschenden, physikalische Prinzipien unter den extremsten Bedingungen im Universum zu untersuchen. So führen die Bedingungen dieser hochenergetischen Kollisionen zur Entstehung schwerer Elemente, wie z. B. Gold. Verschmelzende Neutronensterne sind tatsächlich einzigartige Untersuchungsobjekte, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten zu erforschen, die weit über denen von Atomkernen liegen.

Die neue Methode wurde auf die erste und bisher einzige Beobachtung eines verschmelzenden Doppel-Neutronensternsystems angewandt. Bei dieser am 17. August 2017 entdeckten Verschmelzung hatten die letzten paar tausend Umläufe der Sterne umeinander die Raumzeit so stark verwirbelt, dass Gravitationswellen entstanden, die von den terrestrischen Gravitationswellenobservatorien Advanced LIGO und Advanced Virgo nachgewiesen wurden. Bei der Verschmelzung der beiden Sterne wurden neu gebildete schwere Elemente ausgestoßen. Ein Teil dieser Elemente zerfiel radioaktiv, was zu einem Anstieg der Temperatur führte. Ausgelöst durch diese thermische Strahlung war bis zu zwei Wochen nach der Kollision ein elektromagnetisches Signal im optischen, infraroten und ultravioletten Bereich zu beobachten. Außerdem wurde zusätzliches Material durch einen Gammablitz ausgestoßen, ebenfalls ausgelöst durch die Kollision der Neutronensterne. Durch die Reaktion der Neutronensternmaterie mit dem umgebenden Medium wurden Röntgen- und Radiostrahlen erzeugt, die auf einer Zeitskala von Tagen bis zu Jahren beobachtet werden konnten.

Das neue Tool zur simultanen Auswertung astrophysikalischer Daten aus verschiedenen Quellen ermöglicht es den Forschenden, alle diese Signale gleichzeitig zu interpretieren. Zusätzlich können Informationen aus Radio- und Röntgenbeobachtungen von Neutronensternen (z. B. vom NICER-Teleskop der NASA), kernphysikalische Berechnungen und sogar Daten aus Schwerionenkollisionsexperimenten an erdgebundenen Beschleunigern miteinbezogen werden. „Wir können nun über den bisher üblichen schrittweisen Kombinationsprozess hinausgehen. Indem wir die Daten zusammenhängend und gleichzeitig analysieren, erhalten wir präzisere Ergebnisse“, sagt Peter T. H. Pang, Wissenschaftler an der Universität Utrecht, Erstautor der Publikation und Hauptentwickler des Codes. Um die neue Software in den kommenden Jahren weiterzuentwickeln, wurde Dietrich 2022 mit einem European Research Council (ERC) Starting Grant in Höhe von 1,5 Millionen Euro ausgezeichnet.

Derzeit führen die Gravitationswellen-Detektoren ihren vierten wissenschaftlichen Beobachtungslauf durch. Die nächste Entdeckung einer Verschmelzung von Neutronensternen könnte täglich erfolgen, und die Forschenden stehen in den Startlöchern, das von ihnen entwickelte Werkzeug erneut einsetzen zu können.

Publikation:
Peter T. H. Pang, Tim Dietrich, Michael W. Coughlin et al.,
An updated nuclear-physics and multi-messenger astrophysics framework for binary neutron star mergers,
2023, Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-023-43932-6

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 1. November 2023 – mit freundlicher Genehmigung.

1. November 2023 – Die Anträge vereinen die Kompetenzen und zukunftsweisenden Ideen der Goethe-Universität mit denen der Kolleg:innen des Verbunds der Rhein-Main-Universitäten (RMU) und weiterer Partner der vier großen Organisationen der außeruniversitären Forschung. Der seit 2019 bestehende Exzellenzcluster Cardiopulmonary Institute (CPI) wird im kommenden Jahr direkt einen Vollantrag einreichen.

Wie Wissenschaftskommunikation über ein Mitmachobjekt funktionieren kann
Wer bei einer gemeinsamen Aufzugfahrt eine Wissenschaftlerin oder einen Wissenschaftler des Clusterprojekts ELEMENTS fragt, woran die 100 ELEMENTS-Forschenden denn so arbeiten, bekommt wahrscheinlich als Antwort: „Wir wollen wissen, wo Gold herkommt.“ Das ist womöglich beim ersten Hören etwas missverständlich, denn es geht – anders als bei einem der historischen Goldrausche – nicht darum, Gold zu finden, sondern vielmehr zu verstehen, wie es entsteht. Das passiert wahrscheinlich bei großen Sternen-Crashs, sogenannten Kilonovae. Solche Crashs im Weltraum kann man von der Erde aus berechnen, beobachten und vermessen, und bestimmte Aspekte lassen sich – im Miniaturformat – auf der Erde in Teilchenbeschleunigern nachstellen. Die Physik dahinter ist sehr komplex, es geht um das Innenleben von Atomkernen und um extrem verdichtete Sterne, die Neutronensterne. Und es geht nicht nur um Gold, sondern um alle schweren Elemente, also auch um Blei, Silber, Platin und Uran zum Beispiel.

Herausforderndes Spezialthema
Auf Laien mag dies gleichermaßen faszinierend wie auch abschreckend wirken, kennen doch viele Physik nur aus der Schule und vielleicht aus Fernsehdokumentationen im Spätprogramm, in die man zufällig hineingezappt hat. „Die meisten Menschen haben schon einmal etwas von Atomen und Elementen gehört, und der ein oder andere mag sich an den Merkspruch zu den Planeten in unserem Sonnensystem ‚Mein Vater erklärt mir jeden Samstag unseren Nachthimmel‘ erinnern“, sagt Phyllis Mania, die seit Anfang 2022 für die Wissenschaftskommunikation des Clusterprojekts verantwortlich ist. „Aber mit Neutronensternen oder Zerfallsketten können nur wenige etwas anfangen.“ Darin liege die Herausforderung in der Wissenschaftskommunikation von ELEMENTS, meint Mania, denn selbst studierte Physikerinnen und Physiker würden bei einigen Spezialthemen nicht mehr mitkommen. „Für die Kommunikation ist das eine Herausforderung, aber auch eine große Chance, denn der Spieß lässt sich auch umdrehen: Da die Leute nicht das Gefühl haben, schon etwas wissen zu müssen, gehen sie oft sehr offen und neugierig an unsere Themen heran.“

Um einen Weg zu finden, mit den Menschen ins Gespräch zu kommen, haben Mania und der ELEMENTS-Sprecher Luciano Rezzolla ein Ausstellungsstück zum Anfassen entwickelt, das Modell eines Neutronensterns. Der Stern hat einen halben Meter Durchmesser und ist angeschnitten, damit man die inneren Schichten erkennen kann, und die Schichten lassen sich auch einzeln abnehmen. Im Weltall ist ein solcher Neutronenstern ein ungeheuer dichtes Objekt, in dem die Massen einer bis zwei Sonnen in einer Kugel mit dem Durchmesser etwa von Frankfurt am Main zusammengepresst sind. Ein Würfelzucker dieser Materie wöge auf der Erde so viel wie der ganze Mount Everest, und wenn zwei dieser Neutronensterne zusammenprallen, wird so viel Energie frei, dass sich schwere Elemente wie eben Gold bilden können.

Begreifbare Physik
Erstmals wurde das Neutronenstern-Modell auf der Frankfurter „Night of Science“ 2023 einer breiten Öffentlichkeit gezeigt, und mit der Frage „Haben Sie schon einmal einen Neutronenstern berührt?“ ließen sich Passanten – zum Beispiel ein Vater mit seinem kleinen Sohn, zwei Oberstufenschüler, eine Gruppe Studentinnen oder ein Rentnerehepaar – anlocken und ermuntern, Fragen zu stellen. „Als Hands-on-Objekt schafft es unser Neutronenstern, die sehr abstrakte Physik, die dahintersteckt, im Wortsinne begreifbar zu machen“, weiß Rezzolla. „Unser Neutronenstern ist ‚Hingucker‘ und Gesprächsanlass, und immer wieder entwickeln sich sehr spannende Gespräche – in denen wir, besonders von Kindern, manchmal Fragen gestellt bekommen, die uns Fachfrau oder Fachmann richtig fordern.“

Inzwischen hat der Neutronenstern weitere „Auftritte“ absolviert und war beim Tag der offenen Tür am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt zu sehen, wurde in Hofheim in die Roadshow „Universe on Tour“ des Bundesforschungsministeriums integriert und bereicherte die Mitmachausstellung des Wissenschaftsfestivals „Highlights der Physik“ in Kiel. Begleitet wurde der Stern von Mania und – nach ­Möglichkeit – von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Clusters.

Mit dem Neutronenstern hat ELEMENTS noch viel vor: Eine erste Online-Version, bislang nur auf Deutsch und Englisch, ist schon auf der Cluster-Website zu sehen. „Live“ soll der Neutronenstern künftig auch in Schulen zu Besuch sein, vornehmlich an Orten, die keine Universität in der Nähe haben. „Wir haben dabei besonders die Nachwuchsförderung im Blick“, erklärt Rezzolla. „Unser Ziel: Wir möchten junge Menschen – besonders Mädchen – mit unserer Begeisterung für Physik anstecken und vielleicht den einen oder anderen später zu einem Studium der Physik oder der Naturwissenschaften motivieren.“

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Quelle: GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung 20. Februar 2023.

20. Februar 2023 – Die Entdeckung wurde von einem internationalen Team unter Beteiligung von Forschenden des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Kopenhagen gemacht. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Kilonovae sind gigantische Explosionen, die entstehen, wenn zwei Neutronensterne einander umkreisen und schließlich miteinander kollidieren. Die dabei auftretenden extremen physikalischen Bedingungen sind für die Entstehung schwerer Elemente verantwortlich, beispielsweise die Atome im Goldschmuck und das Jod in unseren Körpern. Des Weiteren erzeugen Kilonovae Licht, so dass man diese Explosionen auch noch in kosmischen Entfernungen mit Teleskopen beobachten kann.

Aber es gibt noch viel, was wir über dieses gewaltige Phänomen nicht wissen. Als 2017 in 140 Millionen Lichtjahren Entfernung eine Kilonova entdeckt wurde, konnten zum ersten Mal detaillierte Daten gesammelt werden. Wissenschaftler*innen auf der ganzen Welt sind immer noch dabei, die Daten dieser kolossalen Explosion zu interpretieren, darunter Albert Sneppen und Professor Darach Watson von der Universität Kopenhagen, sowie Privatdozent Andreas Bauswein und Dr. Oliver Just aus der GSI-Forschungsabteilung Theorie.

Eine der offenen Frage betrifft die geometrische Form der Kilonova, also die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen. Dieses Problems hat sich das internationale Forschungsteam rund um Sneppen und Watson angenommen. Die Forschenden haben die Geschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen analysiert: entlang der Sichtlinie – also die Geschwindigkeit des Materials, das sich in Richtung unserer Erde bewegt – und senkrecht dazu.

Entlang der Sichtlinie machen sich die Forschenden den Dopplereffekt zunutze, den man vom herannahenden Feuerwehrauto kennt. Wie sich die Tonhöhe der Sirene mit hoher Geschwindigkeit verändert, so kann man auch aus den Eigenschaften des Lichts der Kilonova-Explosion, genauer aus den sogenannten Spektrallinien, die Geschwindigkeit ablesen. Die Geschwindigkeit senkrecht zur Beobachtungslinie ergibt sich aus der Größe der strahlenden Fläche, die sich aus Helligkeit und Farbe der Kilonova ableiten lässt.

Die Kugelform ist ein Rätsel
Die Überraschung dieser Analyse: Die Explosion breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus. Die Kilonova aus dem Jahr 2017 hat die Form einer Kugel. „Man hat zwei superkompakte Sterne, die sich 100 Mal pro Sekunde umkreisen, bevor sie kollabieren. Unsere Intuition und die meisten der bisherigen Modelle besagen, dass die bei der Kollision entstehende Explosionswolke aufgrund des enormen Drehimpulses im System eine eher asymmetrische Form haben muss“, sagt Albert Sneppen, Doktorand am Niels-Bohr-Institut und Erstautor der in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie. Wie die Kilonova kugelförmig sein kann, ist ein echtes Rätsel.

Das GSI-Team hat insbesondere Simulationen der Explosion zum Test verschiedener Szenarien und theoretische Interpretationen zu der Veröffentlichung beigetragen. Die Forschenden konnten zeigen, dass es selbst unter recht spekulativen Annahmen keinen Mechanismus gibt, der zwangsläufig zu einer sphärischen Explosion führen muss, wenngleich einige Simulationen recht gut zu der Beobachtung passen. „Eine Möglichkeit könnte daher auch sein, dass es sich um eine pure Koinzidenz handelt. Spannend ist die Beobachtung auf alle Fälle, denn sie hilft Modelle der Kilonova-Explosion besser zu verstehen und damit auch Details der Elemententstehung in diesen Ereignissen“, sagt Oliver Just. Andreas Bauswein ergänzt: „Mit Messungen weiterer Neutronensternverschmelzungen wird man dieses Ergebnis sicher besser beurteilen können. Wir erwarten, dass mit neuen, jetzt zur Verfügung stehenden Observatorien in den kommenden Jahren viele weitere Kilonovae entdecken werden.“

Ein neues kosmisches Lineal
Die Form der Explosion ist auch aus einem ganz anderen Grund interessant: „Unter Astrophysiker*innen wird viel darüber diskutiert, wie schnell das Universum expandiert. Die Geschwindigkeit sagt uns unter anderem, wie alt das Universum ist. Und die beiden hauptsächlich benutzten Methoden, die es gibt, um dies zu messen, weichen um etwa eine Milliarde Jahre voneinander ab. Hier haben wir vielleicht eine dritte Methode, die die anderen Messungen ergänzt und mit ihnen verglichen werden kann“, sagt Albert Sneppen.

Die so genannte „kosmische Entfernungsleiter“ ist die Methode, die heute verwendet wird, um zu messen, wie schnell das Universum wächst. Dazu wird der Abstand zwischen verschiedenen Objekten im Universum berechnet, die als Sprossen auf der Leiter fungieren. „Wenn sie hell und meist kugelförmig sind, können wir die Kilonovae als eine neue Möglichkeit nutzen, um die Entfernung unabhängig zu messen – eine neue Art von kosmischem Lineal“, sagt Darach Watson und fährt fort: „Die Kenntnis der Form ist hier entscheidend, denn wenn ein Objekt nicht kugelförmig ist, strahlt es je nach Blickwinkel anders. Eine kugelförmige Explosion ermöglicht eine viel genauere Messung.“

Die Arbeiten sind ein erstes Resultat der neu gegründeten HEAVYMETAL-Kollaboration, die vergangenes Jahr mit einem ERC Synergy Grant ausgezeichnet wurde.

Über Kilonovae

• Neutronensterne sind extrem kompakte Sterne, die hauptsächlich aus Neutronen bestehen. Sie haben in der Regel nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern, wiegen aber ein- bis zwei Mal soviel wie die Sonne. Ein Teelöffel Neutronensternmaterie wiegt etwa so viel wie der Mount Everest.
• Wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren, entsteht das Phänomen einer Kilonova. Es handelt sich dabei um einen radioaktiven, hell leuchtenden Feuerball, der sich mit enormer Geschwindigkeit ausdehnt und hauptsächlich aus schweren Elementen besteht, die bei der Verschmelzung und ihren Nachwirkungen entstanden sind. Diese neu gebildeten Elemente werden in den Weltraum geschleudert und mit Gaswolken vermischt, aus denen eine neue Generation von Sternen und Planeten hervorgeht.
• Die Elemententstehung in Kilonovae wurde 1974 vorhergesagt. Im Jahr 2017 wurden zum ersten Mal detaillierte Daten von einer Kilonova gewonnen, als es den Detektoren LIGO (in den USA) und Virgo (in Europa) gelang, Gravitationswellen einer Neutronensternverschmelzung zu detektieren und die Position der Kilonova am Himmel einzugrenzen. Teleskope fanden schließlich die Kilonova AT2017gfo in der Nähe einer 140 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie.

Originalpublikation:
doi.org/10.1038/s41586-022-05616-x
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05616-x

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

28. Februar 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat möglicherweise den „Schallknall“ einer sogenannten Kilonova entdeckt. So bezeichnet man die gewaltige Explosion, die entsteht, wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren. Die Kilonova „GW170817“ im Sternbild Hydra ist das erste Objekt überhaupt, bei dem sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung gemessen werden konnten. Seinen Namen trägt „GW170817“, weil es am 17. August 2017 entdeckt wurde: Die Laser-Interferometer LIGO (in den USA) und Virgo (in Italien) haben an diesem Tag die Gravitationswellen registriert, die mit einem Ausbruch von Gammastrahlen zusammenfielen.

Seitdem haben Astronomen Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum auf GW170817 gerichtet und untersuchen seine Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum. Chandra ist dabei das einzige Observatorium, das mehr als vier Jahre nach dem Ereignis immer noch Strahlung registrieren kann, die von dieser außergewöhnlichen kosmischen Kollision stammt. „Die unmittelbaren Folgen einer Neutronensternverschmelzung untersuchen zu können, ist absolutes Neuland“, sagt Aprajita Hajela von der Northwestern University (USA), die die aktuelle Studie von GW170817 mit Chandra geleitet hat.

Verschmolzene Neutronensterne strahlen Materie-Jet ab
Bisher gehen Astronomen davon aus, dass nach der Verschmelzung von Neutronensternen deren Trümmer sichtbares und infrarotes Licht abstrahlen, das beim Zerfall radioaktiver Elemente entsteht. Dieser Lichtausbruch wird als Kilonova bezeichnet. Im Fall von GW170817 konnten tatsächlich auch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung mehrere Stunden nach den Gravitationswellen entdeckt werden. Im Röntgenspektrum sah die Neutronensternverschmelzung allerdings ganz anders aus: Unmittelbar nach der Entdeckung von GW170817 richtete Chandra seinen „Röntgenblick“ auf das Objekt und registrierte – nichts. Erst mehrere Tage später, am 26. August 2017, konnte Chandra GW170817 als punktförmige Röntgenstrahlungsquelle ausmachen.

Diesen Umstand erklären die Forschenden damit, dass die verschmolzenen Neutronensterne einen schmalen „Jet“ aus hochenergetischen Teilchen abstrahlen, der „off-axis“, also nicht direkt auf die Erde ausgerichtet ist. Sie vermuten, dass Chandra den schmalen Jet ursprünglich von der Seite beobachtete und daher unmittelbar nach der Entdeckung der Gravitationswellen noch keine Röntgenstrahlen sah. Im Laufe der Zeit verlangsamte sich jedoch das abgestrahlte Material und der Jet-Kegel verbreiterte sich, da er auf umgebende Materie prallte. Dies führte dazu, dass sich der Kegel des Jets immer mehr in die direkte Sichtlinie von Chandra ausdehnte und so die Röntgenstrahlung gemessen werden konnte.

Kosmisches Nachglühen oder neues Schwarzes Loch
Seit Anfang 2018 wurde die von dem Jet verursachte Röntgenstrahlung immer schwächer, da sich der Jet weiter verlangsamte und ausdehnte. Hajela und ihr Team stellten dann jedoch fest, dass der Helligkeitsrückgang ab März 2020 bis Ende 2020 stoppte und die Strahlung in diesem Zeitraum konstant blieb. „Etwas anderes als der Jet selbst muss dafür verantwortlich sein“, sagt Koautorin Raffaella Margutti von der University of California in Berkeley (USA).

Eine mögliche Erklärung für diese neue Röntgenstrahlungsquelle war, dass die sich ausdehnenden Trümmer der Verschmelzung einen „Schock“ erzeugt haben, ähnlich dem Überschallknall eines Überschallflugzeugs. Dieser Schock erhitzt Material, das selbst Strahlung erzeugt und als Kilonova-Nachglühen bezeichnet wird. Eine alternative Erklärung wäre, dass die zusätzlichen Röntgenstrahlen von Material stammen, das in ein Schwarzes Loch fällt, welches sich nach der Verschmelzung der Neutronensterne gebildet haben müsste. „Dies wäre entweder das erste Mal, dass wir ein Kilonova-Nachglühen sehen oder das erste Mal, dass wir Material sehen, das nach einer Neutronensternverschmelzung auf ein Schwarzes Loch fällt“, sagt Koautor Joe Bright, ebenfalls von der University of California in Berkeley.

Simulationen und Einsteins Relativitätstheorie können die Beobachtungen erklären
Um zu ermitteln, welche der beiden Erklärungen zutreffend ist, müssen die Astronomen GW170817 weiterhin beobachten und neben den Röntgenstrahlen auch mögliche Radiowellen messen. Wenn es sich um ein Kilonova-Nachglühen handelt, wird die Radioemission voraussichtlich mit der Zeit heller werden. Handelt es sich dagegen um Materie, die auf ein neu entstandenes Schwarzes Loch fällt, dann sollte die Röntgenstrahlung konstant bleiben oder schnell abnehmen und es wird keine Radioemission auftreten.

Hier kommen nun Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi und der ehemalige Doktorand Vsevolod Nedora von der Universität Jena ins Spiel, die beide Koautoren der aktuellen Publikation sind. Sie haben die Massenausflüsse, von denen das Kilonova-Signal ausgeht, in einem großen Satz von Simulationen, die speziell auf GW170817 ausgerichtet sind und neueste mikrophysikalische Modelle beinhalten, analysiert. Sie berechneten das zu erwartete Kilonova-Nachleuchten und konnten eine Übereinstimmung mit den Chandra-Beobachtungen feststellen. „Die enge Zusammenarbeit von astronomisch und theoretisch arbeitenden Teammitgliedern war der Schlüssel zur Identifizierung der möglichen Szenarien für den Ursprung der späten Röntgenemission von GW170817“, betont Sebastiano Bernuzzi.

Dennoch ist weitere Forschung und Beobachtung von GW170817 notwendig und könnte so Koautorin Kate Alexander, ebenfalls von der Northwestern University, weitreichende neue Erkenntnisse liefern. „Der Nachweis eines Kilonova-Nachleuchtens würde bedeuten, dass bei der Verschmelzung nicht sofort ein Schwarzes Loch entstanden ist. Alternativ könnte dieses Objekt den Astronomen die Möglichkeit bieten, zu untersuchen, wie Materie einige Jahre nach der Entstehung eines Schwarzen Lochs auf dieses fällt.“ Kürzlich ist bei neuen Chandra-Beobachtungen weitere Strahlung entdeckt worden, Radiowellen in Verbindung mit der aufkommenden Röntgenstrahlung sind bisher aber nicht gemessen worden.

Originalpublikation
Hajela, A. et al.: The emergence of a new source of X-rays from the binary neutron star merger GW170817
The Astrophysical Journal Letters

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

23. Oktober 2019 – Zum ersten Mal haben Astronomen ein chemisches Element identifiziert, das durch das Verschmelzen zweier Neutronensterne gebildet wurde. Der verantwortliche Mechanismus, der als r-Prozess bezeichnet wird – auch bekannt als schneller Neutroneneinfang – gilt als der Ursprung großer Mengen von Elementen, die schwerer sind als Eisen. Diese Entdeckung wirft neues Licht auf das Rätsel über diejenigen Objekte, in denen dieser r-Prozess stattfindet. Mit wichtigen Beiträgen des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg konnten Astronomen nun eindeutig zeigen, dass die Vereinigung zweier Neutronensterne die Voraussetzungen für diesen Prozess schafft und als Reaktor dient, in dem neue Elemente erbrütet werden.

Die Herkunft von schweren Elementen wie Gold, Blei und Uran ist bis heute nicht völlig geklärt. Die leichtesten Elemente – Wasserstoff und Helium – wurden in nennenswerten Mengen bereits mit dem Urknall erzeugt. Die Kernfusion in den Zentren der Sterne ist zudem als Quelle für Atome vom Helium bis hin zum Eisen gut etabliert.

Für die Erzeugung von schwereren Atomen vermuten Wissenschaftler einen Prozess, der freie Neutronen an bereits bestehende Bausteine anlagert. Die schnelle Variante dieses Mechanismus ist der r-Prozess (r steht für rapid, d.h. schnell) oder schneller Neutroneneinfang. Welche Objekte solche Reaktionen ermöglichen, wird derzeit erforscht. Als potentielle Kandidaten gelten bislang seltene Formen von Supernovaexplosionen und die Verschmelzung von dichten Endstadien von Sternen wie Neutronen-Doppelsterne [1].

Große Mengen an Strontium bilden sich in weniger als einer Sekunde
Eine internationale Gruppe von Astronom mit wesentlicher Beteiligung von Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) hat nun durch die Auswertung von Spektren die Signatur des Elements Strontium entdeckt, das während einer explosionsartigen Verschmelzung von zwei Neutronensternen durch den r-Prozess gebildet wurde.

Die explosive Vereinigung erzeugte eine Blase, die sich mit rasenden 20% bis 30% der Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Der Anteil des neu gebildeten Strontiums an der expandierenden Hülle beträgt etwa fünf Erdmassen (1 Erdmasse = 6·10²⁴ kg). Somit liefern die Forscher zum ersten Mal den eindeutigen Nachweis, dass solch eine Kollision die Bedingungen für den r-Prozess bietet, in denen schwere Elemente erzeugt werden können. Nebenbei ist dies die erste empirische Bestätigung, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen.

Der r-Prozess ist wahrhaftig rasant. Pro Sekunde strömen mehr als 10²² Neutronen durch eine Fläche von einem Quadratzentimeter. Durch den Beta-Zerfall verwandeln sich einige der angehäuften Neutronen in Protonen, wobei jeweils ein Elektron und ein Antineutrino abgegeben werden. Das Besondere an dieser Reaktion ist, dass sich die Neutronen schneller zu großen Objekten zusammenfügen, als dass die neu entstandenen Konglomerate wieder zerfallen. So können selbst aus einzelnen Neutronen innerhalb weniger als eine Sekunde schwere Elemente entstehen.

Verschmelzende Neutronensterne erzeugen Gravitationswellen
Die Daten wurden im Nachgang der spektakulären Entdeckung des Gravitationswellensignals GW170817 vom August 2017 mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) erstellt. Neben einem Gammastrahlungsausbruch wurde an selber Stelle die Kilonova AT2017gfo beobachtet, ein Nachleuchten im sichtbaren Licht aufgrund der radioaktiven Prozesse, das nach einem zunächst starken Helligkeitsanstieg innerhalb weniger Tage verblasste. Die erste Analyse der Spektren im Jahr 2017 durch eine andere Forschungsgruppe konnte zunächst kein klares Ergebnis über die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte liefern.

Die aktuelle Auswertung von Dr. Hansen und ihren Kollegen basiert auf der Erstellung von synthetischen und der Modellierung der beobachteten Spektren, die über vier Tage hinweg in einem Abstand von je einem Tag aufgenommen wurden. Die Spektren deuten auf ein Objekt mit einer anfänglichen Temperatur von ca. 4000K (ca. 4300 °C) hin, welches sich in den folgenden Tagen abschwächte und abkühlte. Auffällig sind die Helligkeitsdefizite bei Wellenlängen von 350 und 850 nm. Diese sind gleichsam die Fingerabdrücke des Elements, das an diesen Stellen Licht absorbiert.

Unter Berücksichtigung der Blauverschiebung dieser Absorptionsbanden, die durch die Expansion der Hülle wegen des Doppler-Effekts hervorgerufen wird, hat die Forschungsgruppe synthetische Spektren von einer großen Anzahl von Atomen [2] mittels dreier Methoden mit zunehmender Komplexität berechnet. Da all diese Methoden konsistente Ergebnisse liefern, gilt die Schlussfolgerung als robust. Es stellte sich heraus, dass einzig Strontium, erzeugt durch den r-Prozess, in der Lage ist, die Positionen und die Stärke der Absorptionen in den Spektren zu erklären.

Ein Fortschritt im Verständnis der Entstehung schwerer Elemente
„Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein wichtiger Schritt bei der Entschlüsselung der Nukleosynthese von schweren Elementen und ihren kosmischen Brutstätten“, schlussfolgert Hansen. „Dies war nur durch die Verknüpfung der erst jungen Disziplin der Gravitationswellenastronomie mit präziser Spektroskopie elektromagnetischer Strahlung möglich. Diese neuen Messmethoden geben Hoffnung auf weitere bahnbrechende Erkenntnisse über die Eigenschaften des r-Prozesses.“

Endnoten
[1] Neutronensterne sind extrem dichte Überreste von massereichen Sternen, nachdem sie am Ende ihres Lebens in einer Supernova explodieren. Neutronensterne können Massen zwischen 1,4 und einer theoretischen oberen Grenze von 3,2 Sonnenmassen (1 Sonnenmasse = 2·10³⁰ kg) aufweisen. Ihr typischer Durchmesser beträgt 10 km. [2] Die Wissenschaftler untersuchten Atome zwischen Gallium (₃₁Ga) und Uran (₉₂U).
Hintergrundinformationen
Die Spektren wurden mit dem Spektrografen X-Shooter am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) während des Beobachtungsprogramms 099.D-0382 aufgenommen und erstmals von Pian et al. (2017, Nature, 551, 67) publiziert. Die aktuellen Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit Darach Watson und Jonatan Selsing (Universität Kopenhagen, Cosmic Dawn Center, Dänemark) sowie weiteren Mitarbeitern der Universität Kopenhagen sowie dem Cosmic Dawn Center, Dänemark, dem Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien, der TU Darmstadt, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, dem Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, sowie weiterer wissenschaftlicher Institute in Dänemark, Italien, Island, den USA sowie in Großbritannien gewonnen.

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Quelle: ESO ESON.

23. Oktober 2019 – Zum ersten Mal wurde ein frisch produziertes schweres Element – Strontium – im Weltraum nachgewiesen, nachdem zwei Neutronensterne miteinander verschmolzen. Dieser Befund wurde vom X-Shooter-Spektrografen der ESO am Very Large Telescope (VLT) beobachtet und wird heute in Nature veröffentlicht. Die Detektion bestätigt, dass sich die schwereren Elemente im Universum bei Neutronensternfusionen bilden können, was bislang als fehlendes Puzzleteil bei der Entschlüsselung der chemischen Elementbildung galt.

Nach der Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2017 richtete die ESO ihre Teleskope in Chile, einschließlich des VLT, auf die Quelle des Signals: eine Verschmelzung von Neutronensternen mit dem Namen GW170817. Astronomen vermuteten dass, wenn sich bei Neutronensternkollisionen schwerere Elemente bilden würden, Signaturen dieser Elemente in Kilonovae, den explosiven Folgen dieser Fusionen, nachgewiesen werden könnten. Genau das hat jetzt ein europäisches Forscherteam getan, das Daten aus dem X-Shooter-Instrument des ESO VLT nutzte.

In der Folge der Entdeckung von GW170817 begannen die von der ESO betriebenen Teleskope mit der Überwachung der entstehenden Kilonova-Explosion über einen weiten Wellenlängenbereich. Insbesondere X-Shooter nahm eine Reihe von Spektren vom ultravioletten bis zum nahen Infrarot auf. Die erste Analyse dieser Spektren deutete auf das Vorhandensein schwerer Elemente in der Kilonova hin, aber die Astronomen konnten bisher keine einzelnen Elemente identifizieren.

„Durch die Neuanalyse der im Jahr 2017 gewonnenen Daten des Ereignisses haben wir nun die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball, Strontium, identifiziert und damit bewiesen, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt“, erläutert der Hauptautor der Studie, Darach Watson von der Universität Kopenhagen in Dänemark. Auf der Erde kommt Strontium natürlich im Boden vor und ist in bestimmten Mineralien konzentriert. Seine Salze werden verwendet, um dem Feuerwerk eine leuchtend rote Farbe zu verleihen.

Astronomen kennen seit den 1950 er Jahren die physikalischen Prozesse, die die Elemente erzeugen. In den folgenden Jahrzehnten haben sie die kosmischen Standorte jeder dieser großen Elementfabriken, mit Ausnahme einer, entdeckt. „Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Suche, um den Ursprung der Elemente zu ermitteln“, führt Watson aus. „Wir wissen jetzt, dass die Prozesse, die die Elemente geschaffen haben, hauptsächlich in gewöhnlichen Sternen, in Supernova-Explosionen oder in den äußeren Schichten alter Sterne stattfanden. Aber bis jetzt wussten wir nicht, wo sich der letzte, unentdeckte Prozess befand, der als schneller Neutroneneinfang bekannt ist und der die schwereren Elemente im Periodensystem erzeugt.“

Der schnelle Neutroneneinfang ist ein Prozess, bei dem ein Atomkern Neutronen so schnell aufnimmt, dass sehr schwere Elemente erzeugt werden können. Obwohl viele Elemente in den Kernen von Sternen produziert werden, erfordert die Herstellung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, wie beispielsweise Strontium, eine noch heißere Umgebung mit vielen freien Neutronen. Der schnelle Neutroneneinfang erfolgt nur in extremen Umgebungen, in denen Atome mit einer großen Anzahl von Neutronen bombardiert werden.

„Dies ist das erste Mal, dass wir neu geschaffenes Material, das durch Neutroneneinfang gebildet wurde, direkt mit einer Neutronensternfusion assoziieren können, die zudem bestätigt, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen, und den lang diskutierten schnellen Neutroneneinfangprozess mit solchen Kollisionen verknüpft“, erklärt Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die eine wichtige Rolle bei der Studie spielte.

Erst jetzt beginnen die Wissenschaftler, die Verschmelzungen von Neutronenstern und Kilonovae besser zu verstehen. Aufgrund des begrenzten Verständnisses dieser neuen Phänomene und anderer Komplexitäten in den Spektren, die der X-Shooter des VLT von der Explosion aufgenommen hat, waren die Astronomen bisher nicht in der Lage gewesen, einzelne Elemente zu identifizieren.

„Wir kamen eigentlich auf die Idee, dass wir Strontium ziemlich schnell nach dem Ereignis sehen sollten. Der Nachweis, dass dies eindeutig der Fall war, erwies sich jedoch als sehr anspruchsvoll. Diese Schwierigkeit ist auf unsere sehr unvollständigen Kenntnisse über das spektrale Erscheinungsbild der schwereren Elemente im Periodensystem zurückzuführen“, führt der Forscher der Universität Kopenhagen, Jonatan Selsing aus, der ein wichtiger Autor des Artikels war.

Das Ereignis GW170817 war die fünfte Detektion von Gravitationswellen, die dank des Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) des NSF in den USA und des Virgo Interferometer in Italien möglich wurde. Die Verschmelzung in der Galaxie NGC 4993 war die erste und bisher einzige Gravitationswellenquelle, bei der das sichtbare Gegenstück von Teleskopen auf der Erde erkannt wurde.

Durch die gemeinsamen Anstrengungen von LIGO, Virgo und VLT haben wir das bisher klarste Verständnis für das Innenleben von Neutronensternen und deren explosive Fusionen gewonnen.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wird in einem Papier vorgestellt, das am 24. Oktober 2019 in Nature erscheint.

Die beteiligten Wissenschaftler sind D. Watson (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), C. J. Hansen (Max-Planck-nstitut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland), J. Selsing (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Koch (Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Deutschland), D. B. Malesani (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. C. Andersen (Niels Bohr Institute, Universität Kopenhagen, Dänemark), J. P. U. Fynbo (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Arcones (Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, Deutschland & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland), A. Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland & Heidelberger Institut für theoretische Studien, Deutschland), S. Covino (Astronomisches Observatorium Brera, INAF, Mailand, Italien), A. Grado (Capodimonte Astronomisches Observatorium, INAF, Neapel, Italien), K. E. Heintz (Zentrum für Astrophysik und Kosmologie, Wissenschaftsinstitut, Universität Island, Reykjavík, Island & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), L. Hunt (Arcetri Astrophysikalisches Observatorium, INAF, Florenz, Italien), C. Kouveliotou (George Washington University, Physics Department, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technische Universität Dänemark, & Niels Bohr Institute, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Levan (Department of Physics, University of Warwick, UK), P. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK & Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Deutschland), E. Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, INAF, Bologna, Italien).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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