Zum ersten Mal in der Geschichte haben Wissenschaftler Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne aufgezeichnet - superdichte Objekte mit einer Masse unserer Sonne und der Größe Moskaus. Der resultierende Gammastrahlenausbruch und der Kilonova-Ausbruch wurden von etwa 70 bodengestützten und Weltraumobservatorien beobachtet. Sie konnten den von Theoretikern vorhergesagten Synthesevorgang schwerer Elemente, einschließlich Gold und Platin, beobachten und die Richtigkeit von Hypothesen über die Natur mysteriöser kurzer Gammastrahlenausbrüche bestätigen, berichtete der Pressedienst der Zusammenarbeit. LIGO / Virgo, European Southern Observatory und Los Cumbres Observatory. Beobachtungsergebnisse können Aufschluss über das Geheimnis der Struktur von Neutronensternen und die Bildung schwerer Elemente im Universum geben.
Am Morgen des 17. August 2017 (um 8:41 Uhr US-Ostküstenzeit, als es in Moskau 15:41 Uhr war) registrierten automatische Systeme auf einem der beiden Detektoren des LIGO-Gravitationswellenobservatoriums die Ankunft einer Gravitationswelle aus dem Weltraum. Das Signal erhielt die Bezeichnung GW170817, dies war der fünfte Fall der Fixierung von Gravitationswellen seit 2015, seit sie erstmals aufgezeichnet wurden. Nur drei Tage zuvor "hörte" das LIGO-Observatorium erstmals zusammen mit dem europäischen Projekt Virgo eine Gravitationswelle.
Diesmal jedoch entdeckte das Fermi-Weltraumteleskop nur zwei Sekunden nach dem Gravitationsereignis einen Gammastrahlenausbruch am südlichen Himmel. Fast zur gleichen Zeit erlebte das europäisch-russische Weltraumobservatorium INTEGRAL den Ausbruch.
Die automatischen Datenanalysesysteme des LIGO-Observatoriums kamen zu dem Schluss, dass das Zusammentreffen dieser beiden Ereignisse äußerst unwahrscheinlich ist. Bei der Suche nach zusätzlichen Informationen wurde festgestellt, dass die Gravitationswelle sowohl vom zweiten LIGO-Detektor als auch vom europäischen Gravitationsobservatorium Virgo gesehen wurde. Astronomen auf der ganzen Welt wurden auf die Suche nach der Quelle von Gravitationswellen und Gammastrahlen aufmerksam gemacht. Viele Observatorien, darunter das European Southern Observatory und das Hubble Space Telescope, begannen.
Ändern der Helligkeit und Farbe der Kilonova nach der Explosion.
Die Aufgabe war nicht einfach - die kombinierten Daten von LIGO / Virgo, Fermi und INTEGRAL ermöglichten die Abgrenzung einer Fläche von 35 Quadratgrad - dies ist eine ungefähre Fläche von mehreren hundert Mondscheiben. Nur 11 Stunden später machte das kleine Swope-Teleskop mit einem Messspiegel in Chile das erste Bild der angeblichen Quelle - es sah aus wie ein sehr heller Stern neben der elliptischen Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra. In den nächsten fünf Tagen nahm die Helligkeit der Quelle 20 Mal ab und die Farbe wechselte allmählich von blau nach rot. Während dieser ganzen Zeit wurde das Objekt von vielen Teleskopen in Bereichen von Röntgen bis Infrarot beobachtet, bis sich die Galaxie im September zu nahe an der Sonne befand und für die Beobachtung unzugänglich wurde.
Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass sich die Quelle des Ausbruchs in der Galaxie NGC 4993 in einer Entfernung von etwa 130 Millionen Lichtjahren von der Erde befand. Es ist unglaublich nah, bis jetzt sind Gravitationswellen aus Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren zu uns gekommen. Dank dieser Nähe konnten wir sie hören. Die Quelle der Welle war die Verschmelzung zweier Objekte mit Massen im Bereich von 1,1 bis 1,6 Sonnenmassen - dies konnten nur Neutronensterne sein.
Foto der Quelle der Gravitationswellen - NGC 4993, mit einem Blitz in der Mitte.
Werbevideo:
Der Ausbruch selbst "klang" sehr lange - etwa 100 Sekunden lang ergab das Zusammenführen von Schwarzen Löchern Ausbrüche, die einen Bruchteil einer Sekunde dauerten. Ein Paar Neutronensterne drehte sich um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt, verlor allmählich Energie in Form von Gravitationswellen und konvergierte. Als der Abstand zwischen ihnen auf 300 Kilometer verringert wurde, wurden die Gravitationswellen stark genug, um die Empfindlichkeitszone der LIGO / Virgo-Gravitationsdetektoren zu treffen. Wenn zwei Neutronensterne zu einem kompakten Objekt (Neutronenstern oder Schwarzes Loch) verschmelzen, tritt ein starker Ausbruch von Gammastrahlung auf.
Astronomen nennen solche Gammastrahlenausbrüche kurze Gammastrahlenausbrüche, Gammastrahlenteleskope zeichnen sie etwa einmal pro Woche auf. Wenn die Natur langer GRBs verständlicher ist (ihre Quellen sind Supernova-Explosionen), gab es keinen Konsens über die Quellen kurzer Ausbrüche. Es gab eine Hypothese, dass sie durch Fusionen von Neutronensternen erzeugt werden.
Jetzt konnten Wissenschaftler diese Hypothese erstmals bestätigen, denn dank Gravitationswellen kennen wir die Masse der verschmolzenen Komponenten, was beweist, dass es sich genau um Neutronensterne handelt.
„Seit Jahrzehnten vermuten wir, dass kurze GRBs Fusionen von Neutronensternen erzeugen. Dank der Daten von LIGO und Virgo zu diesem Ereignis haben wir jetzt eine Antwort. Gravitationswellen sagen uns, dass die zusammengeführten Objekte Massen hatten, die Neutronensternen entsprechen, und der Gammastrahlenausbruch sagt uns, dass diese Objekte kaum Schwarze Löcher sein können, da die Kollision von Schwarzen Löchern keine Strahlung erzeugen sollte “, sagt Julie McEnery, Projektleiterin am Fermi Center. Raumfahrt NASA namens Goddard.
Darüber hinaus haben Astronomen zum ersten Mal eine eindeutige Bestätigung für die Existenz von Kilon- (oder "Makron-") Fackeln erhalten, die etwa 1000-mal stärker sind als herkömmliche Nova-Fackeln. Theoretiker sagten voraus, dass Kilonovs aus der Verschmelzung von Neutronensternen oder einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch entstehen könnten.
Dies löst die Synthese schwerer Elemente aus, basierend auf dem Einfangen von Neutronen durch Kerne (r-Prozess), wodurch viele der schweren Elemente wie Gold, Platin oder Uran im Universum erschienen.
Laut Wissenschaftlern kann bei einer Explosion einer Kilonova eine riesige Menge Gold entstehen - bis zum Zehnfachen der Mondmasse. Bisher wurde nur ein Ereignis beobachtet, bei dem es sich um eine Kilonova-Explosion handeln könnte.
Jetzt konnten Astronomen zum ersten Mal nicht nur die Geburt der Kilonova beobachten, sondern auch die Produkte ihrer "Arbeit". Mit den Hubble- und VLT-Teleskopen (Very Large Telescope) erhaltene Spektren zeigten das Vorhandensein von Cäsium, Tellur, Gold, Platin und anderen schweren Elementen, die aus der Verschmelzung von Neutronensternen gebildet wurden.
„Bisher stimmen die Daten, die wir erhalten haben, hervorragend mit der Theorie überein. Es ist ein Triumph für Theoretiker, eine Bestätigung der absoluten Realität der von LIGO- und VIrgo-Observatorien aufgezeichneten Ereignisse und eine bemerkenswerte Leistung für ESO, solche Beobachtungen der Kilonova zu erhalten “, sagt Stefano Covino, der Erstautor eines Artikels in Nature Astronomy.
Wissenschaftler haben noch keine Antwort auf die Frage, was nach der Fusion von Neutronensternen übrig bleibt - es kann sich entweder um ein Schwarzes Loch oder um einen neuen Neutronenstern handeln. Außerdem ist nicht ganz klar, warum der Gammastrahlenausbruch relativ schwach war.
Gravitationswellen sind Schwingungswellen der Geometrie der Raum-Zeit, deren Existenz durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Zum ersten Mal gab die LIGO-Kollaboration im Februar 2016 ihre zuverlässige Erkennung bekannt - 100 Jahre nach Einsteins Vorhersagen.
Alexander Voytyuk
