Gravitationswellen aus Neutronenstern-Crash

Kosmische Kollision: Wenn zwei Neutronensterne zusammenstoßen, bebt der Weltraum (Illustration: NASA, Swift, Dana Berry)

Erstmals wurden Gravitationswellen von der Annäherung und dem brachialen Zusammenstoß zweier Neutronensterne gemessen – und zudem das elektromagnetische Spektakel, das folgte. Dieser Meilenstein in der Geschichte der Astrophysik markiert nicht nur den Beginn einer neuen Ära der Erforschung des Universums. Er ist auch eine Bestätigung teils Jahrzehnte alter Vorstellungen von kosmischen Katastrophen. Und er zeigt, woher die schwersten Elemente wie Gold, Platin und Uran stammen.

Zwei Wochen, nachdem der Physik-Nobelpreis 2017 für drei Pioniere der direkten Messung von Gravitationswellen verliehen wurde – an Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish für ihre entscheidenden Beiträge zum Bau des amerikanischen Detektors LIGO – kamen die Kräuselungen der Raumzeit erneut in die Schlagzeilen. In einer fernen, aber für Astronomen gar nicht so fernen Galaxie waren zwei ultradichte Ruinen ausgebrannter Sterne mit einer unvorstellbaren Wucht kollidiert und miteinander verschmolzen.

Dieser vehemente Vorgang hat die Welt buchstäblich erschüttert: Er brachte das Gefüge der Raumzeit zum Schwingen. Dabei entstanden charakteristische Gravitationswellen, wie sie erstmals Albert Einstein 1916 im Rahmen seiner nur wenige Monate zuvor formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben beziehungsweise vorausgesagt hat. Diese superfeinen Signale der Schwerkraft hat LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) erhascht. Mehr noch: Erstmals wurde nahezu zeitgleich auch ein optisches Gegenstück aufgespürt. Diese von Wissenschaftlern lang ersehnte Koinzidenz ist der Beginn einer "Multi-Messenger-Astronomie", wie sie sagen: der Beobachtung desselben Ereignisses auf qualitativ völlig verschiedene Weisen.

Der neue Star am Gravitationswellen-Himmel

GW170817, wie das Gravitationswellen-Ereignis nach seinem Datum heißt, wurde am 17. August 2017 um 14.41 Uhr Mitteleuropäischer Sommerzeit und 4 Sekunden gemessen. Alarm gab zunächst nur der Detektor in Hanford im US-Bundesstaat Washington. Die automatischen Software-Analysefilter hatten eine typische Wellenform gefunden, die zwar im Detail berechnet, aber nie zuvor gemessen worden war: das Signal kollidierender Neutronensterne.

Der zweite LIGO-Detektor bei Livingston, Louisiana, 3000 Kilometer entfernt, schlug nicht an, weil er 1,1 Sekunden vor der Kollision eine weniger als fünf Millisekunden lange Störung hatte (solche „Glitches" unbekannter Herkunft geschehen alle paar Stunden einmal und lassen sich ignorieren, wenn sie nur in einem Detektor auftreten); das sättigte den Detektor für einen Augenblick, sodass die Software nicht sofort reagierte. Aber eine visuelle Inspektion zeigte gleich, dass auch der Livingston-Detektor GW170817 gemessen hatte – dank seiner damals größeren Empfindlichkeit sogar noch besser als der Hanford-Detektor.

Das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis betrug 26,4 (Livingston) beziehungsweise 18,8 (Hanford) und zusammen 32,4. Das macht GW170817 zum stärksten oder lautesten Gravitationswellen-Signal, das jemals gemessen wurde. Außerdem währte es rund 100 Sekunden lang (ab der Nachweisgrenze bei 24 Hertz) und lief durch LIGOs gesamtes Frequenzband. 3000 Zyklen konnten die Forscher in den Daten erkennen. Das entspricht 1500 Umkreisungen der Neutronensterne vor dem endgültigen Crash.

Erschütternde Botschaft

Nie zuvor hatten die LIGO-Forscher ein solches Signal entdeckt. Die vier bislang publizierten Gravitationswellen stammten von kollidierenden Schwarzen Löchern und dauerten nur Sekundenbruchteile. Diese Ereignisse – das erste wurde im Februar 2016 bekannt gegeben, das letzte im August 2017 – stammten aus über einer Milliarde Lichtjahre Entfernung. GW170817 war verglichen damit viel schwächer, aber auch viel näher.

Die spiralförmige Annäherung der Neutronensterne und die darauffolgende Karambolage hatte die Raumzeit derart malträtiert, dass die winzigen periodischen Stauchungen und Dehnungen noch auf der Erde nachgewiesen wurden. Einen statistischen Irrtum schließen die LIGO-Wissenschaftler aus: Zufällig ereignet sich eine solche Koinzidenz höchstens einmal alle 80.000 Jahre (nach einer anderen Berechnung sogar nur einmal alle 1,1 Millionen Jahre).

Aus dem Signal konnten die Wissenschaftler zahlreiche Informationen ableiten. So muss die Gesamtmasse des Systems rund drei Sonnenmassen betragen haben und die individuellen Massen lassen sich grob auf 1,2 bis 1,6 Sonnenmassen eingrenzen. Das passt hervorragend zur Annahme von Neutronensternen. Diese kollabierten Kerne ausgebrannter massereichen Sterne haben typischerweise 1,4 Sonnenmassen (der schwerste bekannte hat die Masse zweier Sonnen) – und das extrem verdichtet in einer Kugel aus Neutronen-Materie, die einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern besitzt. (Dass einer der beiden Körper kein Neutronenstern, sondern ein Schwarzes Loch war, ist sehr unwahrscheinlich, lässt sich aber von den LIGO-Daten allein nicht vollkommen ausschließen.)


Stellare Erschütterung: Wenn zwei Neutronensterne sich umkreisen, erzeugen sie Gravitationswellen und kommen sich immer näher. (Illustration: ESA)

Bislang beste Ortsbestimmung

Auch der Virgo-Detektor in Italien war im August in Betrieb. Seine Laser-Interferometer-Arme sind jedoch nur drei Kilometer lang, nicht vier wie bei LIGO; entsprechend ist Virgo weniger empfindlich. Tatsächlich maß der hauptsächlich von Instituten aus Italien und Frankreich betriebene Detektor kein signifikantes Signal (das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis betrug nur 2,0). Dennoch konnte er entscheidend zur Lokalisierung von GW170817 beitragen, weil die Quelle im „toten Winkel" von Virgos Sensitivität lag, sonst hätte Virgo ein deutlicheres Signal erhascht.

Vor diesem Hintergrund gelang es den Wissenschaftlern, die Quelle von GW170817 auf zunächst 31 und dann 28 Quadratgrad am Himmel einzugrenzen (LIGO allein hätte das nur auf 190 Quadratgrad vermocht). Das ist immer noch eine riesige Fläche – zum Vergleich: Der Vollmond bedeckt 0,2 Quadratgrad. Doch ein großer Fortschritt – das Himmelsareal von LIGOs erster Entdeckung war 20-mal so groß. Auch die Entfernung von GW170817 ließ sich relativ genau errechnen: 130 Millionen Lichtjahre (mit einer Unsicherheit von plus 26, minus 46 Millionen). Das macht GW170817 nicht nur zum lautesten, sondern auch bislang zum nächstgelegenen und am besten lokalisierten Gravitationswellen-Signal.

Diese Verortung ist kein Selbstzweck, sondern erhöhte die Chance, ein elektromagnetisches Gegenstück zu finden – die Quelle also nicht nur zu hören, sondern auch zu sehen. Das war bei den vorherigen Quellen nicht gelungen. Allerdings sind Schwarze Löcher per se unsichtbar. Und das sich noch Materie in ihrer Umgebung befand, die vor der Kollision aufleuchtete, ist unwahrscheinlich. Trotzdem hatten Dutzende von Teleskopen nach einem „counterpart" am Himmel gespäht – vergeblich.


Auf einen Blick: Herkunftsorte aller bisher gemessenen Signale von Gravitationswellen. Erst zusammen mit dem Detektor Virgo wurden die LIGO-Daten präziser. (Illustration: LIGO, Virgo, NASA, Leo Singer, Axel Mellinger)

Ein Gammablitz 1,7 Sekunden später

Anders bei GW170817: Tatsächlich entdeckte das Weltraumteleskop Fermi unabhängig von den LIGO-Messungen und nur 1,7 Sekunden nach diesen einen kurzen Gammablitz am Himmel. Genauer: das GBM-Instrument (Gramma-ray Burst Monitor) an Bord von Fermi, das ständig den ganzen einsehbaren Himmel scannt.

Solche GRBs (Gamma-Ray Bursts) kennen Astrophysiker seit den 1970er-Jahren; inzwischen weiß man, dass es fast täglich irgendwo am Himmel aufblitzt. Diese energiereichen Feuerwerke gehören zu den größten Explosionen im Weltall. Allerdings sind sie in der Regel Milliarden Lichtjahre entfernt. (Käme es zu einem GRB in wenigen Lichtjahren Distanz zur Erde, wäre das das Ende der Menschheit.) Lange Gammablitze, die mehr als zwei Sekunden dauern, stammen von den brachialen Explosionen ausgebrannter Riesensterne. Kurze Gammablitze werden seit Jahren mit der Kollision von Neutronensternen in Zusammenhang gebracht – das schlagende Indiz dafür fehlte aber. Nun liegt es vor: Tatsächlich sind GW170817 und der von Fermi entdeckte GRB 170817A zwei Seiten derselben Medaille.

Den Forschern geht ein Gammalicht auf

Der kosmische Aha-Effekt war da, als LIGO und Fermi unabhängig voneinander ihre Eilmeldungen an andere Astronomen verschickten. Die Koinzidenz konnte kein Zufall sein. Alarmiert von den E-Mails suchte auch das INTEGRAL-Team in seinen Daten. Das europäische Weltraumobservatorium INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) fahndet ebenfalls nach Gammablitzen und findet etwa 20 pro Jahr. Zum gleichen Zeitpunkt wie bei Fermi waren auch hier Gammastrahlen detektiert worden. (INTEGRAL beobachtete daraufhin noch fünfeinhalb Tage immer wieder das Himmelsareal, sah aber nichts mehr.) 

"Selbst in meinen wildesten Träumen hatte ich nicht zu hoffen gewagt, dass wir gleichzeitig zur ersten Entdeckung eines Doppelneutronensterns durch Gravitationswellen den entsprechenden Gammastrahlenblitz und die elektromagnetischen Signale nachweisen würden", freut sich Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Mitglied des LIGO-Teams. "Ich dachte wir würden so etwas erst nach 20 oder mehr Beobachtungen von der Verschmelzung zweier Neutronensterne sehen, nicht mit der allerersten. Das ist fantastisch!"

Rasch wurde deutlich, dass sich die groben Himmelkarten von GW170817 und GRB 170817A überlappten. Das wiederum war die große Chance für Astronomen, die das All in anderen Wellenlängen-Bereichen erkunden …


Das optische Entdeckungsfoto vom Swope-Teleskop in Chile (Foto: 1M2H, Tony Piro)

Die Quelle der Welle

Insgesamt beobachteten 70 Observatorien mit rund 100 Teleskopen (sieben davon in Erdumlaufbahnen) das elektromagnetische Gegenstück von GW170817. Das ist die größte konzertierte Aktion in der Geschichte der Astronomie und allenfalls mit der Beobachtungskampagne 1987 vergleichbar, als die Supernova 1987A in der Großen Magellan'schen Wolke aufflammte. Inzwischen sind mehrere Dutzend Forschungsartikel in den renommiertesten Zeitschriften (wie Astrophysical Journal, Science und nature) dazu erschienen.

Sechs Teleskope entdeckten unabhängig voneinander innerhalb von elf Stunden den Herkunftsort von GW170817 anhand der LIGO- und Fermi-Karten. Die Quelle befindet sich im Außenbezirk einer alten elliptischen beziehungsweise linsenförmigen Galaxie namens NGC 4993 auf der südlichen Himmelshemisphäre. Sie liegt im südlichen Teil des Sternbilds Wasserschlange und hat eine Entfernung von rund 130 Millionen Lichtjahren.


Konzertierte Aktion: Rund 70 Teleskope weltweit beobachteten das elektromagnetische Gegenstück des Gravitationswellen-Signals GW170817. Am Südpol suchte der IceCube-Detektor nach Neutrinos – doch die Quelle war zu weit entfernt, sodass nicht genügend dieser Geisterteilchen zur Erde kamen. (Grafik: LIGO-Virgo)

Als erstes gelang dies dem robotischen 1-Meter-Swope-Teleskop am Las Campanas Observatory in Chile. Die Quelle SSS17a (Swope Supernova Survey), später gemäß der Regeln der Internationalen Astronomischen Union in AT 2017gfo umbenannt, wurde dann auch vom Magellan-Teleskop, vom 8-Meter-Gemini-South-Teleskop, der Dark Energy Camera am 4-Meter-Blanco-Teleskop und diversen Teleskopen der Europäischen Südsternwarte anvisiert – sie alle sind in den chilenischen Anden positioniert.

Als die Nacht westwärts wanderte, kamen Fernrohre auf Hawaii an die Reihe, darunter Pan-STARRS und Subaru. Das war sechs Stunden später, und da hatte die Helligkeit von AT 2017gfo schon signifikant abgenommen. Das bewies, dass es sich nicht um eine Supernova oder einen veränderlichen Stern im Vordergrund handeln konnte.

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