GW170817: Durchbruch für eine Multi-Messenger-Astronomie

Neutronensterne: Materie unter extremsten Bedingungen

Mit Hilfe dieser Beobachtung können die Physiker einer fundamentalen Frage der Physik einen Schritt näherkommen: der nach dem Zustand der Materie in einem Neutronenstern. Neutronensterne sind die kleinsten und dichtesten Sterne, von deren Existenz wir wissen. Als Endzustand des Kollapses eines massereichen Sternes haben Neutronensterne einen typischen Radius von 10 bis 20 Kilometern, bei etwa zweifacher Masse der Sonne. Modellen zufolge bestehen sie fast vollständig aus Neutronen – aufgrund der enormen Dichte wurden die Elektronen der Atomhüllen in die Atomkerne gequetscht, und haben die dortigen Protonen in Neutronen umgewandelt.

Abstoßende Kernkräfte verhindern den weiteren Kollaps

Einen weiteren Kollaps der Materie verhindern abstoßende starke Kernkräfte zwischen den Neutronen. „Bisher wissen wir jedoch noch fast nichts über die genaue Zusammensetzung und die Teilchenwechselwirkungen der Materie unter so extremen Bedingungen“, sagt Laura Fabbietti, Professorin für dichte und seltsame hadronische Materie an der TUM und Hauptwissenschaftlerin des Sonderforschungsbereichs. Sie erforscht seit Jahren die physikalischen Eigenschaften von Materie in Neutronensternen. „Nun können wir erstmals unsere Theorien überprüfen.“

Ein kurzer Gammastrahlenausbruch

Beobachtet werden konnte die Kollision mit den beiden am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gebauten Detektoren, Fermi-GBM sowie dem Spektrometer auf INTEGRAL. „Als Ursprung eines solchen charakteristischen kurzen Gammastrahlenausbruchs werden seit 30 Jahren verschmelzende Neutronensterne vermutet“, sagt PD Dr. Jochen Greiner vom MPE, einer der Hauptwissenschaftler des Sonderforschungsbereiches 1258. „Jetzt haben wir erstmals eine eindeutige Bestätigung für diese Modellvorstellung.“

Dieses Mosaik zeigt, wie sich die Kilonova in NGC 4993 aufgehellt hat, viel röter wurde und dann in den Wochen nach der Explosion am 17. August 2017 verblasste. Diese Bilder wurden mit dem Infrarot-Teleskop VISTA des Paranal-Observatoriums der ESO in Chile aufgenommen. – Bild: ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration

Das Leuchten einer Kilonova

Auch erwarten die Physiker ein über Tage andauerndes Leuchten im Bereich des optischen/nahen Infrarot-Lichts, das Astronomen als Kilonova bezeichnen: In alle Richtungen wird in Folge des Verschmelzungsprozesses Materie ausgeschleudert, vor allem Neutronen und in geringer Anzahl Protonen und Helium-Atomkerne. Innerhalb weniger Sekunden wandeln sich die Helium-Kerne durch Verschmelzung, weitere Neutroneneinfänge und nachfolgende radioaktive Zerfälle und Spaltungsreaktionen in schwere Elemente mit hohen Atommassenzahlen um.

Dieses Bild vom MUSE-Instrument am Very Large Telescope der ESO am Paranal-Observatorium in Chile zeigt die Galaxie NGC 4993, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Galaxie ansich ist nicht ungewöhnlich, aber sie enthält etwas, was noch nie zuvor beobachtet wurde: die Nachwirkungen der Explosion eines Neutronensternpaares, ein seltenes Ereignis, das als Kilonova bezeichnet wird (oberhalb und etwas links vom Zentrum der Galaxie). Die Verschmelzung der Neutronensterne führte auch zu Gravitationswellen und Gammastrahlen, die von LIGO-Virgo bzw. Fermi/INTEGRAL detektiert wurden. Über die Erzeugung eines Spektrums für jeden Teil des Objekts lässt sich mit MUSE die Emission von leuchtendem Gas erkennen, das hier in Rot erscheint und eine überraschende Spiralstruktur aufweist. – Bild: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir

Zerfallende radioaktive Elemente

Die neu entstandenen radioaktiven Atomkerne zerfallen in stabile Elemente und senden dabei bis zu zehn Tage lang Gammastrahlung aus, die ihrerseits das ausgeworfene Material heizt und zu einer breitbandigen elektromagnetischen Emission führt. Auch diese Kilonova wurde von mehreren unabhängig arbeitenden Astronomen-Gruppen innerhalb von 12 Stunden in dem etwa 100 Quadratgrad großen Fehlerbereich des Gravitationswellenereignisses aufgespürt.

„Diese Beobachtungen bestätigen die theoretischen Vorstellungen über das Verschmelzen von Neutronensternen und die dabei auftretenden energiereichen Prozesse, wie das Ausschleudern erheblicher Mengen radioaktiver Materie“, sagt Jochen Greiner.

Bestätigung der Theorien zur Entstehung der schwersten Elemente

„Vor allem aber liefern sie neue Einsichten zur Entstehung der schwersten Elemente“, ergänzt Prof. Hans-Thomas Janka vom MPA, ebenfalls einer der Hauptwissenschaftler des SFB1258, der sich seit langem mit den theoretischen Modellen von Neutronensternen, Supernovae und Gammastrahlenausbrüchen befasst.

Kein signifikantes Neutrino-Signal

Weitere kosmische Zeugen eines so hochenergetischen Ereignisses wie eine Neutronenstern-Verschmelzung können Neutrinos sein. Allerdings konnten die Wissenschaftler der IceCube-Kollaboration, die am Südpol das weltweit größte Neutrino-Teleskop betreiben, kein signifikantes Signal entdecken. Die Erklärung dafür ist einfach: „Das Ereignis war zu weit weg“, erklärt Elisa Resconi, Professorin für Experimentalphysik mit kosmischen Teilchen an der TUM und Sprecherin des SFB1258. „Neutrinos sind sehr flüchtige Teilchen. Bei solch großen Entfernungen können wir mit unseren Detektoren die Boten solcher Ereignisse kaum mehr aufspüren. Aber wir hoffen darauf, dass IceCube von zukünftigen Ereignissen Neutrino-Signale detektieren wird.“

Beginn einer Gravitationswellen-Astronomie

Seit dem vergangenen Jahr wurden bereits mehrfach Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern gemessen, was mit dem Nobelpreis für Physik 2017 gewürdigt wurde. Das nun bekannt gegebene Ereignis markiert einen weiteren, entscheidenden Durchbruch hin zu einer Multi-Messenger-Astronomie: „Mit Hilfe von Gravitationswellen sind nun eine Vielzahl an neuen, zur klassischen Astronomie komplementären Messungen möglich, und damit sind Antworten auf bislang unbeantwortete Fragen in Reichweite gerückt“, sagt Elisa Resconi. Dies wird die Forschung am Münchner SFB1258 maßgeblich beeinflussen.