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Astronomie+Physik

Neutronenstern-Kollision schuf Jet

Neutronenstern-Kollision
Erzeugte die Neutronenstern-Kollision einen Jet oder nicht? (Grafik: Robin Dienel/ Carnegie Institution for Science)

Als Astronomen im Sommer 2017 erstmals die Gravitationswellen einer Neutronenstern-Kollision einfingen, war dies nicht nur eine astronomische Sensation, das Ereignis gab auch Rätsel auf. Denn das Nachglühen dieser Verschmelzung widersprach gängigen Szenarien. Jetzt könnten Beobachtungen mit einem Netzwerk von Radioteleskopen dieses Rätsel gelöst haben. Sie sprechen dafür, dass nach der Kollision ein ultraschneller Materie-Jet entstand. Das bestätigt die Vermutung, dass solche Kollisionen der Ursprung kurzer Gammastrahlenausbrüche sein könnten.

Es war eine kosmische Katastrophe: In 130 Millionen Lichtjahren Entfernung kollidieren die extrem dichten, kompakten Kerne zweier toter Sterne miteinander – zwei Neutronensterne. Ihre GW170817 getaufte Verschmelzung brachte das Raumzeit-Gefüge zum Schwingen und setzte enorme Mengen Energie in Form von Strahlung frei. Doch genau diese Strahlung sorgt seither für Rätselraten unter Astronomen. Denn die strahlenden Nachwehen der kosmischen Kollision, die Teleskope in der ganzen Welt über mehrere Monate hinweg verfolgten, entsprachen nicht den Erwartungen. Der Theorie nach entstehen nach einer solchen Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem Schwarzen Loch gewaltige Jets aus ultraschnellen Teilchen und Strahlung. Diese schmalen, aber extrem energiereichen Bündel können, wenn sie über die Erde hinwegstreichen, einen kurzen Gammastrahlenausbruch (GRB) erzeugen – so die Annahme.

Trümmer-Kokon oder ultraschneller Jet?

Doch die ersten Beobachtungsdaten des Nachglühens von GW170817 schienen dieser Theorie zu widersprechen. Statt eines schmalen Jets wiesen die Strahlungs-Eigenschaften alle Merkmale einer eher diffusen, breitgestreuten Strahlenemission auf. Astronomen vermuteten daher, dass ein Kokon aus ausgeschleuderten Kollisionstrümmern den Jet aufgehalten und geschwächt haben muss. Das Problem daran: Sollte das bei solchen Kollisionen die Regel sein, dann können sie nicht die Erklärung für die kurzen Gammastrahlenausbrüche sein. Um mehr Klarheit zu schaffen, haben Kunal Mooley vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und sein Team die Beobachtungsdaten eines US-weiten Zusammenschlusses von Radioteleskopen ausgewertet. Das Netzwerk der Very Long Baseline Interferometrie (VLBI) hatte das Radiowellen-Nachglühen 75 und 230 Tage nach der Neutronenstern-Kollision aufgezeichnet.

Die neuen Daten enthüllen nun: Entgegen früherer Beobachtungen hat die Verschmelzung doch einen schmalen, ultraschnellen Jet erzeugt. Zwar wurde dessen Energie und Strahlung in den ersten 60 Tagen nach der Kollision von einem Trümmer-Kokon gebremst und teilweise geschluckt. Dann aber durchbrach der Jet diesen Kokon und dominierte von da an die Strahlenemission des Ereignisses. „Basierend auf unseren Analysen ist dieser Jet sehr schmal, maximal fünf Grad breit und er zeigt rund 20 Grad von der Erde weg“, berichtet Koautor Adam Deller von der Swinbourne University of Technology. „Das Material in diesem Jet muss mit mehr als 97 Prozent der Lichtgeschwindigkeit ins All hinaus rasen.“

Wie die Forscher erklären, tritt bei einem solchen schmalen, extrem schnellen Jet ein besonderer Effekt auf, die sogenannte superluminale Bewegung. „Dabei messen wir eine Bewegung des Jets, die viermal schneller zu sein scheint als das Licht“, erklärt Mooley. „Diese Illusion kommt zustande, wenn der Jet fast direkt auf die Erde zeigt und das Material in ihm auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt ist.“

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Bestätigung für Gammablitz-Theorie

Das Entscheidende an den neuen Erkenntnissen aber sei, dass solche Neutronenstern-Kollisionen wie von der Theorie vorhergesagt, schnelle, schmale Jets verursachen. „Das ist eine Voraussetzung für die Produktion kurzer Gammastrahlenausbrüche“, erklären die Astronomen. Diese Gammablitze können in weniger als zwei Sekunden so viel Energie freisetzen wie alle Sterne unserer Galaxie zusammen. Woher diese Energie stammt und was diese Blitze auslöst, blieb aber lange unbekannt. Erst vor wenigen Jahren gelang es Astronomen, die Entstehung dieser energiereichen Ausbrüche in einer astrophysikalischen Simulation nachzubilden – durch eine Kollision von Neutronensternen und den dabei entstehenden Jet. Seither gilt ein solches Ereignis als die wahrscheinlichste Quelle der kurzen Gammastrahlenausbrüche.

Der aktuelle Nachweis des ultraschnellen Jets von GW170817 ist daher eine wichtige Bestätigung dieser Theorie. Den Berechnungen der Forscher nach könnten zwischen drei und 30 Prozent aller Neutronenstern-Kollisionen solche Jets erzeugen. Weil aber nur ein Bruchteil davon auf die Erde trifft, sehen wir nur einen kleinen Teil davon als Gammablitz. „Für jeden kurzen Gammastrahlenausbruch, der auf der Erde ankommt, gibt es rund tausend solcher Ereignisse mit energiereichen Jets, die von uns wegzeigen“, so die Forscher.

Quelle: Kunal Mooley (National Radio Astronomy Observatory, Socorro) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-018-0486-3

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