Das LIGO-Observatorium, dessen Schöpfer 2017 den Nobelpreis erhielten, hat die Welt der Astronomie bereits verändert. Als Wissenschaftler der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft LIGO 2016 die ersten Gravitationswellen entdeckten, entdeckten sie eine neue Art, das Universum zu beobachten. Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler die Raum-Zeit-Schwankungen "abhören", die sich aus der Kollision großer Objekte (z. B. Schwarze Löcher) ergeben.
Das war aber erst der Anfang. Ziel war es, die Beobachtung von Gravitationswellen mit Daten herkömmlicher Teleskope zu kombinieren.
Im Oktober 2017 veröffentlichte das LIGO-Wissenschaftlerteam, dem mehrere tausend Menschen auf der ganzen Welt angehören, in Physical Review Letters eine Reihe von Artikeln über die unglaubliche Entdeckung. Die Forscher konnten nicht nur Gravitationswellen aus der Kollision zweier Neutronensterne erfassen, sondern auch ihre Koordinaten am Himmel bestimmen sowie das Phänomen durch optische und elektromagnetische Teleskope beobachten.
"Dies ist eine der vollständigsten Geschichten über ein astrophysikalisches Phänomen, das man sich vorstellen kann", sagt der Physiker Peter Solson von der Syracuse University und Mitglied der LIGO-Community.
Jede Quelle erzählt ihren eigenen Teil der Geschichte
Gravitationswellen geben den Physikern die Größe und Entfernung von Objekten an, sodass sie den Moment vor ihrer Kollision nachbilden können. Beobachtungen von sichtbarer Strahlung und elektromagnetischen Wellen füllen dann die Lücken, die Gravitationswellen nicht erklären können. Sie helfen Astronomen herauszufinden, woraus Objekte bestehen und welche chemischen Elemente aus der Kollision stammen. In unserem Fall konnten Wissenschaftler den Schluss ziehen, dass die Explosion während der Fusion von Neutronensternen zum Auftreten schwerer Elemente führte - Gold, Platin und Uran (was bisher nur angenommen wurde, aber durch direkte Beobachtung nicht bestätigt werden konnte).
Jetzt ist es Wissenschaftlern gelungen, die Alchemie des Universums in Aktion mit eigenen Augen zu sehen. "Ich denke, der Einfluss dieser Entdeckung auf die Wissenschaft wird bedeutender sein als die erste Entdeckung von Schwarzen Löchern durch Gravitationswellen", sagte Duncan Brown, ein weiterer Wissenschaftler aus der LIGO-Community und der Syracuse University. "Viele Aspekte der Physik und Astronomie sind hier involviert." Und das alles ist das Ergebnis einer Schatzsuche unter den Sternen, an der die ganze Welt beteiligt ist.
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Das Rennen gegen die Zeit. Platz mit einem Kreuz markiert
Am 17. August um 8:41 Uhr entdeckte LIGO Gravitationswellen - die Krümmung von Zeit und Raum -, die durch die Erde gingen. LIGO ist zwei L-förmige Observatorien in den US-Bundesstaaten Louisiana und Washington. Sie können Wellen registrieren, die das Raum-Zeit-Kontinuum komprimieren und dehnen.
In den letzten zwei Jahren konnte LIGO Gravitationswellen erfassen, die durch Kollisionen mit Schwarzen Löchern erzeugt wurden. Das Signal am 17. August war jedoch ganz anders. Es stellte sich heraus, dass es viel stärker war als das, was aufgezeichnet wurde, als das Schwarze Loch entdeckt wurde. Das neue Signal dauerte 100 Sekunden, während die Signale von Schwarzen Löchern nur wenige waren. Dies bedeutete, dass die Kollision viel näher an der Erde stattfand.
Wenn LIGO Gravitationswellen erkennt, sendet es automatisch Benachrichtigungen an Hunderte von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt. Duncan Brown ist einer von ihnen. „Wir haben sehr schnell einen Telefonalarm erhalten und festgestellt, dass dies ein unerwartet starkes Signal für Gravitationswellen ist. Es hat uns schockiert “, erinnert er sich.
Es wurde sofort klar, dass dies keine Fusion von Schwarzen Löchern war. Die erste Analyse ergab, dass die Wellen aus der Kollision zweier Neutronensterne stammen - Objekte mit sehr hoher Dichte. Es wird angenommen, dass schwere chemische Elemente in ihnen gebildet werden.
Wenn LIGO Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern erkennt, ist am Himmel nichts zu sehen: Schwarze Löcher sind, wie der Name schon sagt, dunkel. Was ist mit einer Kollision zweier Neutronensterne? Das Spektakel sollte wie ein buntes Feuerwerk sein.
Sarah Wilkinson / Las Campanas Observatorium
Und so geschah es: Zwei Sekunden nach dem LIGO-Signal entdeckte das Fermi-Weltraumteleskop der NASA einen Gammastrahlenausbruch - einen der stärksten Explosionen explosiver Energie im Universum, die uns bekannt sind. Astronomen haben lange Zeit Theorien aufgestellt, wonach die Verschmelzung von Neutronensternen Gammastrahlenausbrüche verursachen kann. Und jetzt konnte es kein Zufall sein.
Gleichzeitig wird das Licht einer solchen explosiven Fusion schnell schwächer. Die Zählung dauerte Minuten, und Wissenschaftler der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft LIGO mussten sich beeilen. "Je schneller Sie zum Teleskop gelangen, desto mehr Informationen erhalten Sie", sagt Brown. Durch die Untersuchung des Lichts und seiner Veränderungen können Wissenschaftler eine Fülle von Informationen gewinnen, die ihnen helfen, Neutronensterne besser zu verstehen und wie sie Veränderungsmaterie zusammenführen.
Brown und seine Kollegen machten sich an die Arbeit und organisierten Telefonkonferenzen mit Dutzenden von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt. Das LIGO-Team arbeitete mit Partnern von VIRGO, einem italienischen Gravitationswellen-Observatorium, zusammen, um den Himmel zu kartieren und die Quelle der Gravitationswellen zu lokalisieren. Sie beschränkten ihre Suche auf einen faustgroßen Bereich auf Armeslänge. (Aus astronomischer Sicht ist selbst diese Region ein riesiger Raum. Ein Bereich einer Karte mit einem Streichholzkopf auf Armeslänge kann Tausende von Galaxien enthalten.) Der VIRGO-Detektor in Italien hat kein Signal aufgenommen, wodurch die Position der Sterne bestimmt werden konnte. VIRGO hat Zonen ohne Empfang, daher sollten sich die Neutronensterne in der Nähe eines von ihnen befinden.
Diese Himmelskarte ist das Ergebnis der Kombination von Informationen von Fermi, LIGO, VIRGO und Integral (einem weiteren Gammastrahlenobservatorium). Jeder Detektor stellte einen Bereich bereit, in dem ein Signal auftreten konnte. Wo sie sich überlappten, wurde der Ort angezeigt, der auf der Karte der kosmischen Schätze mit einem Kreuz markiert war.
Mit der Karte in der Hand verschickte das LIGO-Team E-Mails an Astronomen auf der ganzen Welt, die diese Region des Himmels bei Einbruch der Dunkelheit erkunden konnten.
Und das Glück ging nicht an ihnen vorbei! Mehrere bodengestützte Observatorien konnten die Position des Kilons (oder Makrons) erfassen - eine Explosion durch die Kollision zweier Neutronensterne. Das Foto links zeigt, was die Astronomen am Eröffnungsabend aufgenommen haben. Auf der rechten Seite sah es einige Tage später so aus. Die Explosion wurde merklich schwächer.
1M2H / UC Santa Cruz und Carnegie Observatory / Ryan Foley
So sah die Galaxie einige Wochen vor der Entstehung der Kilonova aus (oberes Bild). Das untere Bild zeigt eine Explosion.
Die Dark Energy Camera GW-EM Collaboration und die DES / Berger Collaboration
Bilder mögen unscharf erscheinen, aber es gibt eine Menge Informationen darüber. Mit präzisen Koordinaten können Wissenschaftler das Hubble-Weltraumteleskop und das Chandra-Weltraum-Röntgenobservatorium so einstellen, dass eine Kilonova explodiert. Mit Hilfe dieser Werkzeuge können Astronomen den Prozess des Universums mit einem Auge betrachten.
Wie kollidierende Neutronensterne Gold erzeugen
Neutronensterne sind ungewöhnliche kosmische Körper. Sie entstehen durch den Gravitationskollaps von Sternen (z. B. bei Supernova-Explosionen) und haben eine sehr hohe Dichte. Stellen Sie sich ein Objekt mit einer Masse wie die Sonne vor, die jedoch nur einen Durchmesser von 25 Kilometern hat. Dies sind 333.000 Massen der gesamten Erde, die zu einer Kugel von der Größe des Moskauer Zentralbezirks zusammengedrückt sind. Der Druck im Inneren ist so groß, dass dort nur Neutronen (mit Elektronen verschmolzene Protonen) existieren können.
In einer 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie "tanzten" zwei solcher Objekte umeinander, bewegten sich im Orbit und kamen näher und näher. Sie kollidierten und die durch das Universum freigesetzte Energie sandte eine Welle, die Zeit und Raum verzerrt, und einen Partikelstrom (ein Gammastrahlenausbruch, der zusammen mit Gravitationswellen erkannt wurde). Sowohl Gravitationswellen als auch Gammastrahlen bewegten sich mit Lichtgeschwindigkeit. Dies ist ein weiterer Beweis für Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Es ist möglich, dass die Neutronensterne nach der Fusion ein neues Schwarzes Loch bildeten, da sie eine ausreichende Masse hatten. Es gibt jedoch noch nicht genügend Informationen für eine eindeutige Aussage.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Eines kann man aber schon sicher sagen: Nach der Explosion kombinierten und bildeten viele der verbleibenden Neutronen chemische Elemente.
Wir alle und jedes Element auf der Erde bestehen aus Sternen. Infolge des Urknalls zu Beginn der Zeit bildeten sich sehr leichte Elemente - Wasserstoff und Helium. Diese Elemente bildeten zusammen Sterne, in denen während der Fusionsreaktionen Elemente mit immer größeren Massen auftraten.
Als Sterne zur Supernova wurden (Zusammenbruch und anschließende Explosion), wurden noch schwerere Elemente erzeugt. Laut Brown ist das Auftreten von Gold und Platin jedoch seit langem ein Rätsel. Selbst Supernova-Explosionen sind nicht stark genug, um sie zu erzeugen.
Es gab Theorien, dass ein Kilonstern (gebildet durch die Fusion zweier Neutronensterne) diese Metalle produzieren kann. Und da die Astronomen den Ort der Fusion rechtzeitig bestimmen konnten, bestätigten sie diese Theorie. Die Farbe und Qualität des nach der Explosion verbleibenden Lichts bestätigten die Bildung von Gold und Platin. Wissenschaftler schienen die Alchemie in Aktion beobachtet zu haben.
"Gold auf der Erde wurde einst nach einer nuklearen Explosion aus einer Fusion [von Neutronensternen] geschaffen", erklärt Brown. - Jetzt habe ich einen Platin-Ehering am Finger. Denken Sie nur, es erschien aufgrund der Kollision von Neutronensternen!"
Eine neue Ära in der Astronomie kommt
Die beschriebene Entdeckung markiert den Beginn einer neuen Ära in der Astronomie. Wissenschaftler werden in der Lage sein, Himmelskörper nicht nur mit Hilfe von Licht und Strahlung, die sie emittieren, zu untersuchen, sondern diese Beobachtungen auch mit Informationen zu kombinieren, die aus der Analyse von Gravitationswellen gewonnen wurden. Diese Informationen enthalten, wie sich die beiden Neutronensterne bei der Kollision umeinander bewegten, sowie eine Vielzahl von Informationen über ihre Folgen.
Rechts - Visualisierung der Substanz von Neutronensternen. Links - Verzerrung der Raumzeit in der Nähe von Explosionen. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
Die Kombination aller Informationsquellen wird als Mehrkanalastronomie bezeichnet, dh Astronomie, die auf der Hinzufügung von Beobachtungen des elektromagnetischen Spektrums mit Gravitationswellenbeobachtungen basiert. Dies war der Traum der LIGO-Wissenschaftler seit der Gründung des Observatoriums.
„Stellen Sie sich vor, Sie leben in einem fensterlosen Raum und können nur Donner hören, aber keinen Blitz sehen“, erklärt Vicki Kalogera, Astrophysikerin an der Northwestern University und Mitglied der LIGO-Community. - Stellen Sie sich jetzt vor, Sie wären in einen Raum mit Fenster umgezogen. Von nun an hört man nicht nur Donner, sondern sieht auch Blitze. Der Blitz bietet eine völlig neue Möglichkeit, Gewitter zu studieren und zu verstehen, was wirklich passiert."
Gravitationswellen sind Donner. Explosionen durch ein Teleskop beobachten - Blitz.
Erst vor einem Monat erhielten die drei Gründer von LIGO für ihre Pionierarbeit den Nobelpreis für Physik. Wie Ed Young von The Atlantic feststellte, führt die Vergabe des Preises an drei von Hunderten, die bedeutende Beiträge zum LIGO-Projekt geleistet haben, zu einer unangenehmen und kontroversen Situation. Die jüngsten Ergebnisse zeigen jedoch, dass der Preis für wissenschaftliche Arbeit verdient war.
Das Beste an der Beobachtung von Gravitationswellen ist, dass der Prozess passiv ist. LIGO und VIRGO "hören" alle Gravitationswellen, die am selben Tag an der Erde vorbeiziehen. Jedes Signal markiert den Beginn einer neuen Suche nach "Schätzen", da Wissenschaftler verstehen müssen, was die Schwankungen in der Raumzeit verursacht hat.
Astronomen hoffen auf weitere Fusionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Es können aber noch interessantere Phänomene entdeckt werden. Wenn sich die LIGO- und VIRGO-Observatorien weiter verbessern, besteht die Möglichkeit, dass Gravitationswellen vom Urknall übrig bleiben. Noch aufregender ist, dass diese Observatorien in der Lage sein werden, Quellen von Gravitationswellen zu erkennen, die zuvor unbekannt waren und nicht vorhersagen konnten.
"Ich war traurig, dass ich nach der ersten bemannten Landung auf dem Mond geboren wurde", sagte Thomas Corbitt, Physiker und Mitglied der LIGO-Community an der Louisina State University. - Wenn Sie jedoch Zeuge solcher Ereignisse werden, die als Beweis für den großen Erfolg gemeinsamer Aktivitäten dienen, erscheint Inspiration. Sie geben uns mehr Wissen über das Universum."
Der Originalartikel in englischer Sprache ist hier verfügbar.
