Gravitationswellen-Sensation

Der Beginn einer neuen Ära der Astrophysik

Von Sibylle Anderl
 - 16:38

Gerüchte kursieren bereits seit Mitte August, als der texanische Astrophysiker J. Craig Wheeler vorschnell auf Twitter seiner Begeisterung darüber Ausdruck verlieh, dass die Gravitationswellenjäger der Virgo- und Ligo-Experimente erstmalig eine Gravitationswelle detektiert hätten, die nicht auf die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher zurückzuführen sei, sondern auf das Zusammenstürzen zweier Neutronensterne. Letzteres Ereignis würde sich nicht nur in einer wellenartigen Verzerrung der Raumzeit, sondern außerdem in einem hellen Aufleuchten des Sternenpaars in elektromagnetischer Strahlung äußern. Mithilfe dieses Lichtpulses wäre es möglich, den Herkunftsort der Welle präzise zu bestimmen - etwas das aufgrund der Gravitationswellen allein nicht möglich ist, da die kombinierten Daten der drei Gravitationswellendetektoren von Virgo und Ligo nur eine ausgedehnte Region in Form einer “Banane” am Himmel als Ursprungsort markieren.

Bestätigung der Gerüchte?

Heute Nachmittag haben Ligo, Virgo und die amerikanische National Science Foundation (NSF) eine Einladung für eine Pressekonferenz am kommenden Montag herausgegeben, in der eine Diskussion „neuer Entwicklungen in der Gravitationswellen-Astronomie” angekündigt wird. Neben den Gravitationswellenastronomen selbst werden bei dieser Konferenz Repräsentanten von siebzig anderen astronomischen Observatorien anwesend sein. Die Interpretation liegt auf der Hand: Diesmal wurde ein Signal nicht nur anhand von Gravitationswellen beobachtet, sondern konnte zusätzlich anhand elektromagnetischer Strahlung detektiert werden. Die Liste der eingeladenen Sprecher umfasst verschiedene Astronomen, die an Beobachtungsprogrammen teilhaben, die nach der optischen Signatur von Gravitationswellen Ausschau halten. Daneben nehmen Forscher teil, deren Expertise auf dem Gebiet der Gammablitze liegt. Alles weist darauf hin, dass am Montag die bahnbrechende Entdeckung einer Kollision von Neutronensterne bekannt gegeben werden soll.

Sofern diese Interpretation stimmt, wäre dies eine wissenschaftliche Sensation, denn sofern die Quelle der Gravitationswelle präzise festgelegt werden kann, öffnet dies weiteren physikalischen Studien des Verschmelzungsprozesses Tür und Tor. Die Heimatgalaxie kann bestimmt werden und der Ort des Ereignisses innerhalb der Galaxie. Spektroskopische Studie, das heißt Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Ereignis, können Aufschluss über die Physik der Neutronensterne und den zeitlichen Verlauf ihrer Verschmelzung liefern. Das neue Feld der Gravitationswellenastrophysik, dessen experimenteller Startpunkt erst vergangene Woche mit dem Nobelpreis geehrt wurde, würde mit einer solchen Entdeckung erstmalig zu Strahlen beginnen.

Das „Lebensende“ schwerer Sterne

Worum aber geht es eigentlich, und warum wäre die Beobachtung einer Verschmelzung von Neutronensternen so ein wichtiger wissenschaftlicher Meilenstein? Ein Neutronenstern ist eines derjenigen Objekte, die ganz am Ende des Lebensweges von Sternen stehen. Dabei sind Sterne, die einmal zu Neutronensternen werden, einerseits zu schwer, um wie unsere Sonne als weißer Zwerg zu enden, und gleichzeitig zu leicht, um schließlich zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren. Über weite Zeiträume ihres Lebens erzeugen diese Vorläufersterne ihre Energie durch das Verbrennen von Wasserstoff in ihrem Inneren, aber irgendwann ist dieser Brennstoff verbraucht, und das Wasserstoffbrennen verlagert sich schalenförmig weiter nach außen. Im Inneren werden daraufhin schwerere Elemente verbrannt werden und das Zentrum des Sterns wird mit Eisen angereichert - dem Endprodukt aller Kernfusionsprozesse. Wenn der Brennstoff schließlich erschöpft ist, reicht die Energie des Sterns nicht mehr aus, um der Gravitation entgegen zu wirken, und der Stern stürzt in sich zusammen. Die Materie im Inneren von Neutronensternen wird dabei so stark komprimiert, dass schließlich Elektronen und Protonen zu Neutronen zusammengepresst werden - ein Prozess der eine Flut von Neutrinos erzeugt. Der innere Druck der dicht gepackten Neutronen, der sich quantenmechanischen Prinzipien verdankt, stoppt den Kollaps und setzt eine Supernova Explosion in Gang. Zurück bleibt ein kompaktes Objekt, das größtenteils aus Neutronen, mit einigen Elektronen und Atomkernen besteht - der Neutronenstern.

Eine gigantische Dichte

Die Dichte eines Neutronensterns ist gigantisch, vergleichbar mit der Dichte eines Atomkerns. Ein Teelöffel seines Materials wäre knapp 1000 Mal so schwer wie die Cheops-Pyramide. Das Gravitationsfeld an der Oberfläche ist etwa hundert Milliarden Mal so stark wie das auf unserer Erde. Die Masse eines Neutronensterns mit einem typischen Durchmesser von zehn bis zwanzig Kilometern entspricht etwa ein- bis zweimal derjenigen unserer Sonne. Neutronensterne besitzen außerdem ein sehr starkes Magnetfeld, das Elektronen beschleunigt und die Abstrahlung von elektromagnetischer Synchrotronstrahlung in einem engen Kegeln in Richtung der Achse des Magnetfelds verursacht. Gleichzeitig rotieren junge Neutronensterne sehr schnell - bis zu vielen hundert Mal pro Sekunde - da beim Kollaps des Sterns dessen Drehimpuls erhalten bleibt. Sofern die Rotationsachse von der Achse des Magnetfelds abweicht, dreht sich der Strahlungskegel - für Beobachter, die von dem Kegel periodisch gestreift werden, scheint der Neutronenstern zu blinken, und wird in diesen Fällen als Pulsar bezeichnet.

In unserer Galaxie vermutet man etwa hundert Millionen Neutronensterne, einige Prozent von ihnen existieren in Binärsystemen zusammen mit jüngeren Sternen, roten Riesen, weißen Zwergen, oder anderen Neutronensternen. Umeinander rotierende Neutronensterne nähern sich einander mit der Zeit, da das System Energie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verliert, bis sie schließlich ineinander stürzen. Die Beschleunigung der beiden Massen lässt dabei die Raumzeit durch Gravitationswellen erbeben. Es wird vermutet dass bei der Verschmelzung Gammablitze erzeugt werden - kurze Ausbrüche gebündelter hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, die erstmalig 1967 beobachtet wurden. Die Bündelung der Strahlung macht es allerdings unwahrscheinlich, dass sie in unserer Sichtlinie liegt und wir sie beobachten können. Darüber hinaus erwartet man einen weiteren Prozess, der elektromagnetische Strahlung erzeugt, die gleichermaßen in alle Richtungen abgestrahlt wird: Die Verschmelzung der Neutronensterne wirbelt neutronenreiches, radioaktives Material auf, das zerfällt und dabei elektromagnetische Strahlung abgibt. Dieses Phänomen wird als „Kilonova” bezeichnet und ist diejenige Entsprechung einer Verschmelzung von Neutronensternen im ultravioletten, optischen und infraroten Licht, die bei Vorliegen einer entsprechenden Gravitationswellendetektion beobachtet werden könnte.

Interessant ist diese Phase der Verschmelzung von Neutronensternen auch deshalb, weil im abgegebenen neutronenreichen Material nach dessen Freisetzung mutmaßlich schnelle Neutroneneinfangprozesse stattfinden, die sogenannten r-Prozesse, die zur Bildung neutronenreicher Atomkerne jenseits von Eisen führen. Diese schweren Elemente werden nicht durch Kernfusion hergestellt, ihr Ursprung ist bislang noch nicht eindeutig bekannt: neben den Neutronensternen kommen auch Kern-Kollaps Supernovae dafür in Frage, den r-Prozess zu begünstigen. Die direkte Beobachtung der Verschmelzung von Neutronensternen bei elektromagnetischen Wellenlängen kann hier endlich für Klarheit sorgen. Man vermutet, dass etwa die Hälfte der schweren Elemente im Periodensystem durch den r-Prozess entstanden sind, die andere Hälfte wäre dann auf andere, Neutroneneinfangprozesse zurückzuführen, die auch bei niedrigeren Dichten und niedrigeren Temperaturen ablaufen.

2017: Das Jahr der Gravitationswellenastronomie

Endlich scheint es nun gelungen - dies legt zumindest die Ankündigung zur Pressekonferenz nahe - die Quelle einer Gravitationswelle weltweit in vielen verschiedenen Informationskanälen zu beobachten – und damit mutmaßlich die Kollision zweier Neutronensternen zu verfolgen. Man kann damit rechnen, dass das Jahr 2017 als das Gründungsjahr der Gravitationswellenastronomie in die Geschichte eingehen wird. Nun bleibt uns, gespannt auf die Details der Entdeckung zu warten.

Quelle: FAZ.NET
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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