Astronomen sehen Strontium im Kilonova-Wrack, ein Beweis dafür, dass Neutronenstern-Kollisionen schwere Elemente im Universum erzeugen
Astronomen haben Strontium nach einer Kollision zweier Neutronensterne entdeckt. Dies ist das erste Mal, dass ein schweres Element in einer Kilonova, den explosiven Folgen dieser Art von Kollisionen, identifiziert wurde. Die Entdeckung schließt ein Loch in unserem Verständnis davon, wie schwere Elemente entstehen.
Im Jahr 2017 entdeckten das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und das European VIRGO Observatory Gravitationswellen, die aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne stammen. Die Fusionsveranstaltung wurde benannt GW170817 , und es war etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernt in der Galaxie NGC 4993.
Die resultierende Kilonova heißt AT2017gfo, und die Europäische Südsternwarte (ESO) richtete mehrere ihrer Teleskope darauf, um sie in verschiedenen Wellenlängen zu beobachten. Insbesondere richteten sie das Very Large Telescope (VLT) und sein X-Shooter-Instrument auf die Kilonova .
Diese Karte zeigt das weitläufige Sternbild Hydra (Die weibliche Seeschlange), das größte und längste Sternbild am Himmel. Die meisten Sterne, die in einer klaren dunklen Nacht mit bloßem Auge sichtbar sind, werden angezeigt. Der rote Kreis markiert die Position der Galaxie NGC 4993, die im August 2017 als Standort der ersten Gravitationswellenquelle bekannt wurde, die auch im sichtbaren Licht als Kilonova GW170817 identifiziert wurde. NGC 4993 ist mit einem größeren Amateurteleskop als sehr schwacher Fleck zu sehen. Bildquelle: ESO, IAU und Sky & Telescope
Die X-Shooter ist ein Multi-Wellenlängen-Spektrograph, der in ultraviolettem B (UVB) sichtbarem Licht und im nahen Infrarot (NIR) beobachtet. Ursprünglich deuteten X-Shooter-Daten darauf hin, dass in der Kilonova schwerere Elemente vorhanden waren. Aber bis jetzt konnten sie einzelne Elemente nicht identifizieren.
„Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Jagd nach dem Ursprung der Elemente.“
Darach Watson, Hauptautor, Universität Kopenhagen.
Diese neuen Ergebnisse werden in einer neuen Studie mit dem Titel „ Identifizierung von Strontium bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne .“ Der Hauptautor ist Darach Watson von der Universität Kopenhagen in Dänemark. Der Artikel wurde in der Zeitschrift veröffentlichtNaturam 24. Oktober 2019.
„Durch die erneute Analyse der Daten aus dem Jahr 2017 aus der Fusion haben wir nun die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball, Strontium, identifiziert und beweisen, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt“, sagte Watson in a Pressemitteilung .
Diese künstlerische Darstellung zeigt zwei winzige, aber sehr dichte Neutronensterne, die als Kilonova verschmelzen und explodieren. Solche Objekte sind die Hauptquelle für sehr schwere chemische Elemente wie Gold und Platin im Universum. Der Nachweis eines Elements, Strontium (Sr), wurde nun anhand von Daten des X-Shooter-Instruments am Very Large Telescope der ESO bestätigt.
Das Schmieden der chemischen Elemente wird Nukleosynthese genannt. Wissenschaftler wissen es seit Jahrzehnten. Wir wissen, dass sich Elemente in Supernovae, in den äußeren Schichten alternder Sterne und in normalen Sternen bilden. Aber es gibt eine Lücke in unserem Verständnis, wenn es um Neutroneneinfang geht und wie schwerere Elemente gebildet werden. Laut Watson schließt diese Entdeckung diese Lücke.
„Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Jagd nach dem Ursprung der Elemente“, sagt Watson. „Wir wissen jetzt, dass die Prozesse, die die Elemente schufen, hauptsächlich in gewöhnlichen Sternen, in Supernova-Explosionen oder in den äußeren Schichten alter Sterne abliefen. Aber bis jetzt kannten wir nicht den Ort des letzten, unentdeckten Prozesses, der als schneller Neutroneneinfang bekannt ist und der die schwereren Elemente im Periodensystem schuf.“
Es gibt zwei Arten von Neutroneneinfang : schnell und langsam. Jede Art von Neutroneneinfang ist für die Bildung von etwa der Hälfte der Elemente verantwortlich, die schwerer als Eisen sind. Der schnelle Neutroneneinfang ermöglicht es einem Atomkern, Neutronen schneller einzufangen, als er zerfallen kann, wodurch schwere Elemente erzeugt werden. Der Prozess wurde vor Jahrzehnten ausgearbeitet, und Indizien deuten darauf hin, dass Kilonovae der wahrscheinliche Ort für den schnellen Neutroneneinfangprozess sind. Aber es wurde bis jetzt noch nie an einem astrophysikalischen Ort beobachtet.
Diese Animation basiert auf einer Reihe von Spektren der Kilonova in NGC 4993, die vom X-Shooter-Instrument am Very Large Telescope der ESO in Chile beobachtet wurden. Sie umfassen einen Zeitraum von 12 Tagen nach der ersten Explosion am 17. August 2017. Die Kilonova ist zunächst sehr blau, hellt sich dann aber im Roten auf und verblasst.
Kredit:ESO / E. Pianet al./S. Smartt & ePESSTO / L. Straße
Sterne sind heiß genug, um viele der Elemente zu produzieren. Aber nur die extremsten heißen Umgebungen können schwerere Elemente wie Strontium erzeugen. Nur diese Umgebungen, wie diese Kilonova, haben genügend freie Neutronen. In einer Kilonova werden Atome ständig von einer riesigen Anzahl von Neutronen beschossen, wodurch der schnelle Neutroneneinfangprozess die schwereren Elemente erzeugen kann.
„Dies ist das erste Mal, dass wir neu geschaffenes Material, das durch Neutroneneinfang gebildet wurde, direkt mit einer Neutronensternverschmelzung in Verbindung bringen können, was bestätigt, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen und den seit langem diskutierten schnellen Neutroneneinfangprozess mit solchen Verschmelzungen in Verbindung bringen“, sagt Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, der maßgeblich an der Studie beteiligt war.
Obwohl es die X-Shooter-Daten schon seit einigen Jahren gibt, waren sich Astronomen nicht sicher, ob sie Strontium in der Kilonova sahen. Sie dachten, sie würden es sehen, konnten sich aber nicht sofort sicher sein. Unser Verständnis der Verschmelzung von Kilonovae und Neutronensternen ist noch lange nicht abgeschlossen. In den X-Shooter-Spektren der Kilonova gibt es Komplexitäten, die abgearbeitet werden mussten, insbesondere wenn es darum geht, die Spektren schwererer Elemente zu identifizieren.
Am 17. August 2017 detektierten das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und das Virgo Interferometer Gravitationswellen aus der Kollision zweier Neutronensterne. Innerhalb von 12 Stunden hatten Observatorien die Quelle des Ereignisses in der Linsengalaxie NGC 4993 identifiziert, die in diesem mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble aufgenommenen Bild gezeigt wird. Die damit verbundene stellare Flare, eine Kilonova, ist in den Hubble-Beobachtungen deutlich sichtbar. Dies ist das erste Mal, dass das optische Gegenstück eines Gravitationswellenereignisses beobachtet wurde. Hubble beobachtete, wie die Kilonova im Laufe von sechs Tagen allmählich verblasste, wie diese Beobachtungen zwischen dem 22. und 28. August zeigen (Einschübe). Von ESA/Hubble, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63442000
„Wir kamen tatsächlich auf die Idee, dass wir nach der Veranstaltung möglicherweise Strontium sehen könnten. Der Nachweis, dass dies nachweislich der Fall war, erwies sich jedoch als sehr schwierig. Diese Schwierigkeit war auf unser sehr unvollständiges Wissen über die spektrale Erscheinung der schwereren Elemente im Periodensystem zurückzuführen“, sagt Jonatan Selsing, Forscher der Universität Kopenhagen, der einer der Hauptautoren der Studie war.
Bislang wurde der schnelle Neutroneneinfang viel diskutiert, aber nie beobachtet. Diese Arbeit schließt eine der Lücken in unserem Verständnis der Nukleosynthese. Aber es geht noch weiter. Es bestätigt die Natur von Neutronensterne .
Nach dem Neutron wurde entdeckt von James Chadwick im Jahr 1932 schlugen Wissenschaftler die Existenz des Neutronensterns vor. In einem 1934 Papier , Astronomen Fritz Zwicky und Walter Baade vertrat die Ansicht, dass „eine Supernova den Übergang eines gewöhnlichen Sterns in einenNeutronenstern, bestehend hauptsächlich aus Neutronen. Ein solcher Stern kann einen sehr kleinen Radius und eine extrem hohe Dichte besitzen.“
Drei Jahrzehnte später wurden Neutronensterne mit Pulsaren verbunden und identifiziert. Aber es gab keine Möglichkeit zu beweisen, dass Neutronensterne aus Neutronen bestanden, weil Astronomen keine spektroskopische Bestätigung erhalten konnten.
Aber diese Entdeckung, durch die Identifizierung Strontium , das nur unter extremem Neutronenfluss hätte synthetisiert werden können, beweist, dass Neutronensterne tatsächlich aus Neutronen bestehen. Wie die Autoren in ihrer Arbeit sagen: „Die Identifizierung eines Elements, das nur unter einem extremen Neutronenfluss so schnell hätte synthetisieren können, liefert den ersten direkten spektroskopischen Beweis dafür, dass Neutronensterne neutronenreiche Materie enthalten.“
Dies ist eine wichtige Arbeit. Die Entdeckung hat zwei Löcher in unserem Verständnis des Ursprungs der Elemente gestopft. Es bestätigt beobachtend, was Wissenschaftler theoretisch wussten. Und das ist immer gut.
Mehr:
- Pressemitteilung: Erste Identifizierung eines schweren Elements, das aus der Kollision von Neutronensternen hervorgegangen ist
- Forschungsbericht: Identifizierung von Strontium bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne
- Wikipedia: Neutroneneinfang
- 1934 Papier: Kosmische Strahlen von Super-Novae