Erstes kosmisches Ereignis, das sowohl in Gravitationswellen als auch in Licht beobachtet wurde
Vor etwa 130 Millionen Jahren kollidierten in einer weit entfernten Galaxie zwei Neutronensterne. Der katastrophale Absturz erzeugte Gravitationswellen, Wellen im Gefüge von Raum und Zeit. Dieses Ereignis ist jetzt die fünfte Beobachtung von Gravitationswellen durch das Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) und die Virgo-Kollaboration und die erste, die nicht durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher verursacht wurde.
Aber dieses Ereignis – Kilonova genannt – erzeugte noch etwas anderes: Licht über mehrere Wellenlängen.
Zum ersten Mal in der Geschichte wurde ein astronomisches Phänomen zuerst durch Gravitationswellen und dann mit Teleskopen beobachtet. In einer unglaublichen Zusammenarbeit haben über 3.500 Astronomen mit 100 Instrumenten an über 70 Teleskopen auf der ganzen Welt und im Weltraum mit Physikern der LIGO- und Virgo-Kollaboration zusammengearbeitet.
Wissenschaftler nennen dies „Multimessenger-Astronomie“.
„Alle diese Beobachtungen zusammen sind größer als die Summe ihrer Teile“, sagte Laura Cadonati, stellvertretende Sprecherin von LIGO heute bei einem Briefing. „Wir lernen jetzt etwas über die Physik des Universums, über die Elemente, aus denen wir bestehen, auf eine Weise, die noch nie zuvor jemand getan hat.“
Beobachtungen der Kilonova. Kredit: P.K. Blanchard/ E. Berger/ Pan-STARRS/DECam.
„Es wird uns Einblicke geben, wie Supernova-Explosionen funktionieren, wie Gold und andere schwere Elemente entstehen, wie die Kerne in unserem Körper funktionieren und sogar wie schnell sich das Universum ausdehnt“, sagte Manuela Campanelli vom Rochester Institute of Technology. „Die Multimessenger-Astronomie zeigt, wie wir das Alte mit dem Neuen verbinden können. Es hat die Art und Weise, wie Astronomie betrieben wird, verändert.“
Neutronensterne sind die zerkleinerten übrig gebliebenen Kerne massereicher Sterne, die vor langer Zeit als Supernovae explodierten. Die beiden Sterne, die sich in einer Galaxie namens NGC 4993 nahe beieinander befinden, hatten ursprünglich zwischen der 8-20-fachen Masse unserer Sonne. Dann mit ihren Supernovae, die jeweils auf einen Durchmesser von etwa 10 Meilen verdichtet waren, die Größe einer Stadt. Dies sind Sterne, die vollständig aus Neutronen bestehen und in Größe und Dichte zwischen normalen Sternen und Schwarzen Löchern liegen – nur ein Teelöffel Neutronensternmaterial würde 1 Milliarde Tonnen wiegen.
Sie drehten sich in einem kosmischen Tanz umeinander, bis sie durch ihre gegenseitige Schwerkraft kollidierten. Diese Kollision erzeugte einen Feuerball von astronomischen Ausmaßen und die Auswirkungen dieses Ereignisses erreichten die Erde 130 Millionen Jahre später.
„Dieses Ereignis fand zwar vor 130 Millionen Jahren statt, aber wir haben davon erst am 17. August 2017, kurz vor der Sonnenfinsternis, auf der Erde erfahren“, sagte Andy Howell vom Las Cumbres Observatory heute bei einer Pressekonferenz. „Wir haben das die ganze Zeit geheim gehalten und stehen kurz vor der Pleite!“
Um 8:41 Uhr EDT spürten LIGO und Virgo das frühe Zittern der Wellen der Raumzeit, der Gravitationswellen. Nur zwei Sekunden später wurde ein heller Blitz von Gammastrahlen vom NASA-Weltraumteleskop Fermi entdeckt. Dies ermöglichte es den Forschern, schnell die Richtung zu bestimmen, aus der die Wellen kamen.
Benachrichtigt von einem Astronomen-Telegramm, Tausende von Astronomen auf der ganzen Welt versuchten, Beobachtungen zu machen und zusätzliche Daten von der Neutronenstern-Verschmelzung zu sammeln.
Diese Animation zeigt, wie LIGO, Virgo und weltraum- und bodengestützte Teleskope die Position von Gravitationswellen vergrößert haben, die am 17. August 2017 von LIGO und Virgo entdeckt wurden. Durch die Kombination von Daten der Weltraummissionen Fermi und Integral mit Daten von LIGO und Virgo konnten die Wissenschaftler die Quelle der Wellen auf einen Himmelsfleck von 30 Quadratgrad beschränken. Sichtbare-Licht-Teleskope durchsuchten eine große Anzahl von Galaxien in dieser Region und enthüllten schließlich NGC 4993 als Quelle der Gravitationswellen. (Dieses Ereignis wurde später als GW170817 bezeichnet.)
'Dieses Ereignis hat die genaueste Himmelslokalisierung aller bisher entdeckten Gravitationswellen', sagte Jo van den Brand, Sprecher der Virgo-Kollaboration, in einer Erklärung. „Diese Rekordpräzision ermöglichte es Astronomen, Folgebeobachtungen durchzuführen, die zu einer Fülle atemberaubender Ergebnisse führten.“
Dies liefert den ersten echten Beweis dafür, dass sich Licht- und Gravitationswellen mit den gleichen Geschwindigkeiten – nahe der Lichtgeschwindigkeit – ausbreiten, wie Einstein vorhergesagt hat.
Die Kilonova wurde innerhalb weniger Tage rot und verblasste um einen Faktor von über 20. Diese schnelle Veränderung wurde von den Teleskopen des Las Cumbres Observatoriums erfasst, als sich die Nacht um den Globus bewegte. Bildnachweis: Sarah Wilkinson / LCO.
Observatorien von den ganz kleinen bis zu den bekanntesten waren beteiligt und machten schnell Beobachtungen. Obwohl es zunächst hell war, verblasste das Ereignis in weniger als 6 Tagen. Howell sagte, dass das beobachtete Licht in den ersten Stunden 2 Millionen Mal heller war als die Sonne, aber es verblasste dann im Laufe einiger Tage.
Die Dark Energy Camera (DECam), die am Blanco-4-Meter-Teleskop des Interamerikanischen Observatoriums Cerro Tololo in den chilenischen Anden montiert ist, war eines der Instrumente, die dabei halfen, die Quelle des Ereignisses zu lokalisieren.
„Die Herausforderung, vor der wir jedes Mal stehen, wenn die LIGO-Kollaboration einen neuen Beobachtungsauslöser ausgibt, besteht darin, wie wir nach einer Quelle suchen, die schnell verblasst, möglicherweise anfangs schwach war und sich irgendwo dort drüben befindet“, sagte Marcelle Soares-Santos , von der Brandeis University beim Briefing. Sie ist die erste Autorin des Artikels, der das optische Signal beschreibt, das mit den Gravitationswellen verbunden ist. „Es ist die klassische Herausforderung, eine Nadel im Heuhaufen zu finden, mit der zusätzlichen Komplikation, dass die Nadel weit weg ist und sich der Heuhaufen bewegt.“
Mit der DECam konnten sie die Quellgalaxie schnell bestimmen und 1.500 andere Kandidaten ausschließen, die sich in diesem Heuhaufen befanden.
„Dinge, die wie diese ‚Nadeln‘ aussehen, sind sehr verbreitet, also müssen wir sicherstellen, dass wir die richtige haben. Heute sind wir uns sicher“, fügte Soares-Santos hinzu.
In der sehr kleinen Abteilung half auch ein kleines robotisches 16-Zoll-Teleskop namens PROMPT (Panchromatic Robotic Optical Monitoring and Polarimetry Telescope) – das der Astronom David Sand von der University of Arizona als „im Grunde ein aufgemotztes Amateurteleskop“ bezeichnete – bei der Bestimmung die Quelle. Sand sagte, dies beweise, dass selbst kleine Teleskope eine Rolle in der Multimessenger-Astronomie spielen können.
Das bekannte wird von Hubble und mehreren anderen NASA- und ESA-Weltraumobservatorien wie den Swift-, Chandra- und Spitzer-Missionen geleitet. Hubble nahm Bilder der Galaxie im sichtbaren und infraroten Licht auf und war Zeuge eines neuen hellen Objekts in NGC 4993, das heller als eine Nova, aber schwächer als eine Supernova war. Die Bilder zeigten, dass das Objekt in den sechs Tagen der Hubble-Beobachtungen merklich verblasste. Mithilfe der spektroskopischen Fähigkeiten von Hubble fanden die Teams auch Hinweise darauf, dass Material von der Kilonova mit einer Geschwindigkeit von einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wurde.
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). Bildnachweis: NASA und ESA. Danksagung: A.J. Levan (U. Warwick), N.R. Tanvir (U. Leicester) und A. Fruchter und O. Fox (STScI).
„Dies ist ein Wendepunkt für die Astrophysik“, sagte Howell. „Hundert Jahre nachdem Einstein Gravitationswellen theoretisierte, haben wir sie gesehen und zu ihrer Quelle zurückverfolgt, um eine Explosion mit neuer Physik zu finden, von der wir vorher nur geträumt haben.“
Hier sind nur einige der Erkenntnisse, die dieses einzelne Ereignis mithilfe der Multimessenger-Astronomie geschaffen hat:
* Gamma Strahlen: Diese Lichtblitze werden nun definitiv mit verschmelzenden Neutronensternen in Verbindung gebracht und werden Wissenschaftlern helfen herauszufinden, wie Supernova-Explosionen funktionieren, erklärte Richard O’Shaughnessy, ebenfalls vom Rochester Institute of Technology und Mitglied des LIGO-Teams. „Die ersten Gammastrahlenmessungen, kombiniert mit der Gravitationswellendetektion, bestätigen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die voraussagt, dass Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit wandern sollten“, sagte er.
* Die Quelle von Gold und Platin: „Diese Beobachtungen zeigen die direkten Fingerabdrücke der schwersten Elemente im Periodensystem“, sagte Edo Berger vom Harvard Smithsonian Center for Astrophysics bei dem Briefing. „Die Kollision der beiden Neutronensterne erzeugte allein in Gold und Platin die 10-fache Masse der Erde. Denken Sie daran, wie diese Materialien, wenn sie aus diesem Ereignis herausfliegen, sich schließlich mit anderen Elementen verbinden, um Sterne, Planeten, Leben … und Schmuck zu bilden.“
Berger fügte noch etwas hinzu, worüber man nachdenken sollte: Die ursprünglichen Supernova-Explosionen dieser Sterne produzierten alle schweren Elemente bis hin zu Eisen und Nickel. Dann können wir in der Kilonova in diesem einen System die vollständige Geschichte der Entstehung des Periodensystems der schweren Elemente sehen.
Howell sagte, dass man einen Regenbogen erzeugt, wenn man die Signaturen der schweren Elemente in ein Spektrum aufteilt. „Da war also wirklich ein Topf voll Gold am Ende des Regenbogens, zumindest ein Kilonova-Regenbogen“, scherzte er.
* Kernphysik Astronomie:„Irgendwann werden uns weitere Beobachtungen wie diese Entdeckung zeigen, wie die Kerne in unserem Körper funktionieren“, sagte O’Shaughnessy. „Die Auswirkungen der Gravitation auf Neutronensterne werden uns sagen, wie sich große Neutronenkugeln verhalten, und, als Folgerung, kleine Kugeln aus Neutronen und Protonen – das Material in unserem Körper, das den größten Teil unserer Masse ausmacht“; und
* Kosmologie:- „Wissenschaftler können jetzt unabhängig messen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, indem sie die Entfernung zu der Galaxie mit dem hellen Aufflackern des Lichts und der Entfernung vergleichen, die aus unserer Gravitationswellenbeobachtung abgeleitet wurde“, sagte O’Shaughnessy.
„Die Möglichkeit, dasselbe Ereignis sowohl mit Gravitationswellen als auch mit Licht zu untersuchen, ist eine echte Revolution in der Astronomie“, sagte der Astronom Tony Piro vom CfA. „Wir können das Universum jetzt mit ganz anderen Sonden studieren, was Dinge lehrt, die wir mit nur der einen oder anderen nie wissen könnten.“
„Für mich war das Erstaunliche an diesem Ereignis, dass wir nicht nur Gravitationswellen entdeckten, sondern auch Licht im gesamten elektromagnetischen Spektrum sahen, das von 70 Observatorien auf der ganzen Welt gesehen wurde“, sagte David Reitz, wissenschaftlicher Sprecher von LIGO, in der heutigen Presse Einweisung. „Dies ist das erste Mal, dass uns der Kosmos das Äquivalent von Filmen mit Ton zur Verfügung stellt. Das Video ist die beobachtende Astronomie über verschiedene Wellenlängen und der Klang sind Gravitationswellen.“
Quellen: Las Cumbres-Observatorium , Hubble-Weltraumteleskop , Rochester Institute of Technology , Kilonova.org , CfA, , Pressekonferenz.
Podcast (Audio): Herunterladen (Dauer: 9:12 – 8,4 MB)
Abonnieren: Apple-Podcasts | RSS
Podcast (Video): Herunterladen (Dauer: 9:12 — 74,5 MB)
Abonnieren: Apple-Podcasts | RSS