ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Zum ersten Mal in der Geschichte haben Wissenschaftler Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne aufgezeichnet – superdichte Objekte mit einer Masse so groß wie unsere Sonne und der Größe Moskaus. Der Gammastrahlenausbruch und der nachfolgende Kilonova-Blitz wurden von etwa 70 Boden- und Weltraumobservatorien beobachtet – sie konnten die von Theoretikern vorhergesagte Synthese schwerer Elemente, darunter Gold und Platin, sehen und die Richtigkeit der Hypothesen über die Natur bestätigen über die mysteriösen kurzen Gammablitze berichtet der Pressedienst der Kollaboration LIGO/Virgo, European Southern Observatory und Los Cumbres Observatory. Die Ergebnisse von Beobachtungen können Aufschluss über und im Universum geben.

Am Morgen des 17. August 2017 (um 8:41 Uhr Ostküstenzeit, in Moskau war es 15:41 Uhr) registrierten automatische Systeme an einem der beiden Detektoren des Gravitationswellenobservatoriums LIGO die Ankunft einer Gravitationswelle aus dem Weltall. Das Signal erhielt die Bezeichnung GW170817, es war bereits der fünfte Fall der Entdeckung von Gravitationswellen seit 2015, von dem Moment an, als sie zum ersten Mal aufgezeichnet wurden. Nur drei Tage zuvor hatte das LIGO-Observatorium erstmals „Gravitationswellen“ zusammen mit dem europäischen Projekt Virgo.

Diesmal jedoch, nur zwei Sekunden nach dem Gravitationsereignis, registrierte das Fermi-Weltraumteleskop einen Blitz von Gammastrahlung am Südhimmel. Fast zeitgleich wurde die Flare vom europäisch-russischen Weltraumobservatorium INTEGRAL gesehen.

Die automatischen Datenanalysesysteme des LIGO-Observatoriums kamen zu dem Schluss, dass das Zusammentreffen dieser beiden Ereignisse äußerst unwahrscheinlich ist. Bei der Suche nach weiteren Informationen stellte sich heraus, dass auch der zweite LIGO-Detektor die Gravitationswelle sah, aber das europäische Gravitationsobservatorium Virgo nicht aufzeichnete. Astronomen auf der ganzen Welt wurden in „Alarmbereitschaft“ versetzt, da viele Observatorien, darunter die Europäische Südsternwarte und das Hubble-Weltraumteleskop, mit der Suche nach der Quelle der Gravitationswellen und des Gammastrahlenausbruchs begonnen haben.

Veränderung der Helligkeit und Farbe der Kilonova nach der Explosion

Die Aufgabe war nicht einfach - die kombinierten Daten von LIGO / Virgo, Fermi und INTEGRAL ermöglichten es, eine Fläche von 35 Quadratgrad abzugrenzen - dies ist die ungefähre Fläche von mehreren hundert Mondscheiben. Erst 11 Stunden später machte das kleine Swope-Teleskop mit Meterspiegel 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 sank die Helligkeit der Quelle um den Faktor 20 und die Farbe wechselte allmählich von Blau zu Rot. Während dieser ganzen Zeit wurde das Objekt von vielen Teleskopen im Bereich von Röntgen bis Infrarot beobachtet, bis die Galaxie im September der Sonne zu nahe kam und nicht mehr beobachtbar war.

Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass die Quelle des Ausbruchs in der Galaxie NGC 4993 in einer Entfernung von etwa 130 Millionen Lichtjahren von der Erde lag. Das ist unglaublich nah, bisher sind Gravitationswellen aus Entfernungen von Milliarden Lichtjahren zu uns gekommen. Dank dieser Nähe konnten wir sie hören. Quelle der Welle war die Verschmelzung zweier Objekte mit Massen im Bereich von 1,1 bis 1,6 Sonnenmassen – das konnten nur Neutronensterne sein.

Foto der Quelle der Gravitationswellen - NGC 4993, in der Mitte ist ein Blitz erkennbar

VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO

Der Ausbruch selbst "erklang" sehr lange - etwa 100 Sekunden lang ergaben die Verschmelzungen von Schwarzen Löchern Ausbrüche, die den Bruchteil einer Sekunde dauerten. Ein Paar Neutronensterne drehte sich um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt, verlor allmählich Energie in Form von Gravitationswellen und näherte sich. Als der Abstand zwischen ihnen auf 300 Kilometer verringert wurde, wurden die Gravitationswellen stark genug, um in die Empfindlichkeitszone der LIGO/Virgo-Gravitationsdetektoren zu fallen. Im Moment der Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem kompakten Objekt (einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch) tritt ein starker Gammastrahlungsblitz auf.

Astronomen nennen solche Gammastrahlenausbrüche kurze Gammastrahlenausbrüche, Gammastrahlenteleskope zeichnen sie etwa einmal pro Woche auf. Wenn die Natur langer Gammastrahlenausbrüche verständlicher ist (ihre Quellen sind Supernova-Explosionen), dann gab es keinen Konsens über die Quellen kurzer Ausbrüche. Es gab eine Hypothese, dass sie durch Verschmelzungen von Neutronensternen entstehen.

Nun konnten Wissenschaftler diese Hypothese erstmals bestätigen, denn dank Gravitationswellen kennen wir die Masse der verschmolzenen Bestandteile, was beweist, dass es sich um Neutronensterne handelt.

„Seit Jahrzehnten vermuten wir, dass kurze Gammablitze Verschmelzungen von Neutronensternen hervorrufen. Dank der LIGO- und Virgo-Daten zu diesem Ereignis haben wir jetzt eine Antwort. Gravitationswellen sagen uns, dass die verschmolzenen Objekte Massen hatten, die Neutronensternen entsprachen, und der Gammastrahlenblitz sagt uns, dass diese Objekte kaum Schwarze Löcher sein könnten, da die Kollision von Schwarzen Löchern keine Strahlung erzeugen sollte “, sagt Julie McEnery, Projektleiterin am Fermi Center NASA Goddard Space Flight.

Darüber hinaus haben Astronomen zum ersten Mal eine eindeutige Bestätigung der Existenz von Kilon- (oder „Makron“)-Eruptionen erhalten, die etwa 1000-mal stärker sind als gewöhnliche Nova-Eruptionen. Theoretiker sagten voraus, dass Kilonovae durch die Verschmelzung von Neutronensternen oder eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs entstehen könnten.

Dies startet den Prozess der Synthese schwerer Elemente, 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 erscheinen - bis zu zehn Massen des Mondes. Bisher wurde nur einmal ein Ereignis beobachtet, das .

Nun konnten Astronomen erstmals nicht nur die Geburt der Kilonova beobachten, sondern auch die Produkte ihrer „Arbeit“. Spektren, die mit den Teleskopen Hubble und VLT (Very Large Telescope) aufgenommen wurden, zeigten das Vorhandensein von Cäsium, Tellur, Gold, Platin und anderen schweren Elementen, die während der Verschmelzung von Neutronensternen entstanden sind.

„Bisher stimmen die Daten, die wir erhalten haben, hervorragend mit der Theorie überein. Dies ist ein Triumph für Theoretiker, eine Bestätigung der absoluten Realität der von den LIGO- und Virgo-Observatorien aufgezeichneten Ereignisse und eine bemerkenswerte Leistung für die ESO, die solche Beobachtungen der Kilonova erhalten konnte“, sagt Stefano Covino, der Erstautor von einem der Papiere in Naturastronomie.

Wissenschaftler haben noch keine Antwort auf die Frage, was nach der Verschmelzung von Neutronensternen übrig bleibt - es kann entweder ein Schwarzes Loch oder ein neuer Neutronenstern sein, außerdem ist nicht ganz klar, warum sich der Gammastrahlenausbruch herausstellte relativ schwach sein.

Gravitationswellen sind Schwankungswellen in der Raum-Zeit-Geometrie, deren Existenz von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Erstmals über ihren zuverlässigen Nachweis informierte die LIGO-Kollaboration im Februar 2016 – 100 Jahre nach Einsteins Vorhersagen. In unseren Spezialmaterialien "" und " können Sie mehr darüber lesen, was Gravitationswellen sind und wie sie bei der Erforschung des Universums helfen können.

Alexander Voytyuk

Am 17. August 2017 haben das laserinterferometrische Gravitationswellenobservatorium LIGO und der französisch-italienische Gravitationswellendetektor VIRGO erstmals Gravitationswellen bei der Kollision zweier Neutronensterne nachgewiesen. Etwa zwei Sekunden später beobachteten das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA und das INTEGRAL Astrophysical Gamma-ray Laboratory der ESA einen kurzen GRB170817A in derselben Region des Himmels.

„Wissenschaftler haben selten die Gelegenheit, den Beginn einer neuen Ära in der Wissenschaft mitzuerleben. Das ist einer dieser Fälle!“ - sagte Elena Pian vom Astrophysikalischen Institut Italiens, Autorin eines der in veröffentlichten Artikel Natur Artikel.

Was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen, die von sich bewegenden Massen erzeugt werden, sind Marker für die heftigsten Ereignisse im Universum und werden erzeugt, wenn dichte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren.

Ihre Existenz wurde bereits 1916 von Albert Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Gravitationswellen wurden jedoch erst hundert Jahre später aufgezeichnet, da nur die stärksten dieser Wellen, die durch schnelle Änderungen der Geschwindigkeit sehr massiver Objekte verursacht werden, von modernen Empfängern aufgezeichnet werden können.

Bisher wurden 4 Gravitationswellensignale eingefangen: Dreimal hat LIGO im Alleingang die „Wellen“ der Raumzeit aufgezeichnet, und am 14 LIGO-Detektoren in den USA und ein VIRGO-Detektor in Europa).

Die vier vorangegangenen Ereignisse haben eines gemeinsam: Sie werden alle durch die Verschmelzung von Paaren schwarzer Löcher verursacht, wodurch es unmöglich ist, ihre Quelle zu sehen. Jetzt hat sich alles geändert.

Wie Observatorien auf der ganzen Welt die Quelle der Gravitationswellen „eingefangen“ haben

Die gemeinsame Arbeit von LIGO und VIRGO ermöglichte es, die Quelle der Gravitationswellen in einem riesigen Bereich des südlichen Himmels zu positionieren, der mehrere hundert Vollmondscheiben groß ist und Millionen von Sternen enthält. Mehr als 70 Observatorien auf der ganzen Welt sowie das Hubble-Weltraumteleskop der NASA begannen, diese Himmelsregion auf der Suche nach neuen Strahlungsquellen zu beobachten.

Der erste Bericht über die Entdeckung einer neuen Lichtquelle kam 11 Stunden später vom Swope-Meter-Teleskop. Es stellte sich heraus, dass sich das Objekt sehr nahe an der linsenförmigen Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra befand. Fast zeitgleich wurde dieselbe Quelle vom ESO VISTA European Southern Observatory Telescope im Infrarotlicht entdeckt. Als sich die Nacht über den Globus nach Westen bewegte, wurde das Objekt auf den Hawaii-Inseln von den Pan-STARRS- und Subaru-Teleskopen beobachtet und seine schnelle Entwicklung festgestellt.

Der Blitz der Kollision zweier Neutronensterne in der Galaxie NGC 4993 ist auf dem Bild des Weltraumteleskops Hubble deutlich zu sehen. Beobachtungen vom 22. bis 28. August 2017 zeigen, wie es allmählich verschwand. Bildnachweis: NASA/ESA

Schätzungen der Entfernung des Objekts, die sowohl aus Gravitationswellendaten als auch aus anderen Beobachtungen gewonnen wurden, ergaben übereinstimmende Ergebnisse: GW170817 ist von der Erde genauso weit entfernt wie die Galaxie NGC 4993, nämlich 130 Millionen Lichtjahre. Daher ist es die uns am nächsten bekannte Quelle von Gravitationswellen und eine der nächstgelegenen Quellen von Gammastrahlenausbrüchen, die jemals beobachtet wurden.

Mysteriöse Kilonova

Nachdem ein massereicher Stern in einer Supernova explodiert ist, bleibt an seiner Stelle ein superdichter kollabierter Kern: ein Neutronenstern. Verschmelzungen von Neutronensternen werden ebenfalls hauptsächlich durch kurze Gammablitze erklärt. Es wird angenommen, dass dieses Ereignis von einer Explosion begleitet wird, die tausendmal heller ist als eine typische Nova - die sogenannte Kilonova.

Eine künstlerische Darstellung der Kollision zweier Neutronensterne in der Galaxie NGC 4993, die zu einem Ausbruch von Kilonovae und Gravitationswellen führte. Bildnachweis: ESO/L. Calgada/M. Kornmesser

„Es sieht nach gar nichts aus! Das Objekt wurde sehr schnell unglaublich hell und begann dann schnell von blau nach rot zu verblassen. Das ist unglaublich!" - sagt Ryan Foley von der University of California in Santa Cruz (USA).

Die fast zeitgleiche Registrierung von Gravitationswellen und Gammastrahlen von GW170817 ließ die Hoffnung aufkommen, dass es sich um die lang gesuchte Kilonova handelt. Detaillierte Beobachtungen mit den ESO-Instrumenten und dem Hubble-Weltraumteleskop haben in der Tat Eigenschaften offenbart, die den theoretischen Vorhersagen des Objekts, die vor mehr als 30 Jahren gemacht wurden, sehr nahe kommen. Damit wurde die erste Beobachtungsbestätigung für die Existenz von Kilonovae erhalten.

Noch ist nicht klar, welches Objekt durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne entstanden ist: ein Schwarzes Loch oder ein neuer Neutronenstern. Eine weitere Analyse der Daten sollte diese Frage beantworten.

Durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne und die Explosion einer Kilonova werden radioaktive schwere chemische Elemente freigesetzt, die mit einer Geschwindigkeit von einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit auseinander fliegen. Innerhalb weniger Tage – schneller als jede andere Sternexplosion – ändert sich die Farbe der Kilonova von hellblau zu sehr rot.

„Die Daten, die wir erhalten haben, stimmen hervorragend mit der Theorie überein. Dies ist ein Triumph für Theoretiker, eine Bestätigung der absoluten Realität der von den LIGO- und VIRGO-Anlagen aufgezeichneten Ereignisse und eine bemerkenswerte Leistung der ESO, der es gelungen ist, Beobachtungen der Kilonova zu erhalten“, sagt Stefano Covino vom Astrophysikalischen Institut Italiens , Autor eines der Artikel, die in veröffentlicht wurden Naturastronomie Artikel.

Einige der Elemente werden ins All geschleudert, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen. Bildnachweis: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Spektren, die von Instrumenten am Very Large Telescope der ESO aufgenommen wurden, zeigen das Vorhandensein von Cäsium und Tellur, die während der Verschmelzung von Neutronensternen in den Weltraum geschleudert wurden. Diese und andere schwere Elemente verteilen sich nach Kilonova-Explosionen im Weltraum. Somit deuten die Beobachtungen auf die Bildung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, während Kernreaktionen im Inneren superdichter stellarer Objekte hin. Dieser als r-Nukleosynthese bezeichnete Vorgang war bisher nur in der Theorie bekannt.

Bedeutung der Entdeckung

Die Entdeckung markierte den Beginn einer neuen Ära in der Kosmologie: Jetzt können wir nicht nur zuhören, sondern auch die Ereignisse sehen, die Gravitationswellen erzeugen! Kurzfristig wird die Analyse der neuen Daten es Wissenschaftlern ermöglichen, ein genaueres Verständnis von Neutronensternen zu erlangen, und in Zukunft werden Beobachtungen solcher Ereignisse dazu beitragen, die fortschreitende Expansion des Universums, die Zusammensetzung der Dunklen Energie und die Ursprung der schwersten Elemente im Weltraum.

Forschungsergebnisse, die die Entdeckung beschreiben, werden in einer Reihe von Zeitschriftenartikeln vorgestellt Natur, Naturastronomie und Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe.

Sofort in allen Bereichen des Spektrums, plus - um Gravitationswellen von diesem Ereignis zu registrieren. Ein vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommenes Foto zeigt die Galaxie NGC 4993, in der dies geschah. Der gelbe Fleck über und links vom Zentrum der Galaxie ist der Blitz der Verschmelzung. Die Einschübe zeigen, wie es sich vom 22. bis 28. August verändert hat.

Der Gravitationswellenausbruch selbst ereignete sich am 17. August dieses Jahres und erhielt daher den Namen GW170817. Zuerst wurde er von VIRGO (der Installation, die für kurze Zeit erfolgreich mit der wissenschaftlichen Beobachtungssitzung von LIGO verbunden war) und dann - in Sekundenbruchteilen - von amerikanischen Detektoren erwischt. Der beobachtete Anstieg dauerte fast zwei Minuten! Zuhören lohnt sich!

Vor allem aber registrierten die Gammastrahlendetektoren auf den Satelliten Fermi und INTEGRAL nach 1,7 Sekunden einen kurzen Gammastrahlenausbruch, der den Namen GRB 170817A erhielt. Wie schnell klar wurde – das sind verwandte Ereignisse.

Gravitationsdetektoren können den Punkt des Ausbruchs am Himmel nicht sehr genau bestimmen, selbst in diesem Fall betrug der Unsicherheitsbereich bei drei arbeitenden Detektoren etwa 30 Quadratgrad (mehr als 100 Mondscheiben), aber Gammadetektoren können die Koordinaten viel mehr bestimmen genau. Daher war es sofort möglich, Beobachter anzuschließen, die im gesamten Bereich des Spektrums arbeiteten (zusätzlich wurden die Daten von Neutrino-Detektoren analysiert, aber sie sahen nichts, wie es jedoch erwartet wurde). Und dies führte zu einer erstaunlichen Entdeckung – der Ausbruch und sein Nachleuchten wurden im Röntgen-, optischen, ultravioletten und infraroten Bereich gesehen!

Da das Gravitationswellensignal und der Gammastrahlenausbruch fast gleichzeitig eintrafen, kann mit hoher Genauigkeit (etwa 10 −15) festgestellt werden, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen gleich der Lichtgeschwindigkeit ist (beachten Sie, dass die Verzögerung am wahrscheinlichsten ist nicht auf den Geschwindigkeitsunterschied zurückzuführen, sondern auf die Physik der Erzeugung von Gammastrahlenausbrüchen). Außerdem konnten mehrere Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit höherer Genauigkeit als zuvor getestet werden.

Das Vorhandensein eines Gravitationswellensignals ermöglicht es, die Entfernung zu verschmelzenden Objekten direkt zu bestimmen. Und die Daten optischer Messungen geben die Identifizierung der Galaxie, dh sie ermöglichen die Bestimmung der Rotverschiebung. Zusammen ermöglichen diese unabhängigen Messungen die Bestimmung der Hubble-Konstante. Bisher sind sie jedoch nicht sehr genau - 60–80 (km/s)/Mpc. Diese Genauigkeit ist schlechter als bei einer Reihe anderer kosmologischer Messungen. Wichtig ist jedoch, dass in diesem Fall die Hubble-Konstante mit einer völlig anderen unabhängigen Methode gemessen wird, außerdem modellunabhängig (dh es sind keine zusätzlichen theoretischen Annahmen erforderlich, um das Ergebnis zu erhalten). Daher kann man hoffen, dass in Zukunft ähnliche Daten zur Beobachtung von Neutronensternverschmelzungen mit Gravitationswellendetektoren in Galaxien mit bekannter Rotverschiebung zu einer Quelle wesentlicher kosmologischer Informationen werden.

So. In einer Entfernung von 130 Millionen Lichtjahren (40 Megaparsec) sind in der Galaxie NGC 4993 zwei Neutronensterne verschmolzen. Infolgedessen trat ein Gravitationswellenstoß auf, und eine große Energiemenge wurde in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums freigesetzt.

Neben dem Hauptblitz beobachteten Astronomen seit einiger Zeit auch die sogenannten Kilonova (sie werden manchmal auch Makronen genannt, siehe Kilonova). Diese Strahlung ist mit dem Zerfall radioaktiver Elemente verbunden, die durch die Verschmelzung von Neutronensternen synthetisiert wurden. Die Synthese ist das Ergebnis des sogenannten r-Prozesses, hier der Buchstabe „r“ – vom Wort rapid (schnell). Nach der Verschmelzung wird die expandierende Materie von einem Strom aus Neutronen und Neutrinos durchdrungen. Dies schafft günstige Bedingungen für die Umwandlung der Elementkerne in schwerere. Kerne fangen Neutronen ein, die sich dann im Kern in Protonen verwandeln können, wodurch der Kern im Periodensystem eine Zelle weiterspringt. So kann man nicht nur auf Blei, sondern auch auf Uran und Thorium "springen". Moderne Berechnungen zeigen, dass der Großteil der schweren Elemente (mit einer Masse von mehr als 140), beispielsweise Gold und Platin, gerade durch die Verschmelzung von Neutronensternen und nicht durch Supernova-Explosionen synthetisiert wird.

So wurde aus einem Ereignis ein großer Datensatz gewonnen, der für verschiedene Bereiche der Physik und Astrophysik interessant ist:

1. Der Zusammenhang zwischen kurzen Gammastrahlenausbrüchen und Neutronensternverschmelzungen ist nachgewiesen. Die neuen Daten werden ein viel besseres Verständnis der Physik kurzer Gammastrahlenausbrüche ermöglichen.
2. Eine Reihe von Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie (Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen, Lorentz-Invarianz, Äquivalenzprinzip) konnten hervorragend verifiziert werden.
3. Es wurden einzigartige Daten über die Synthese von Elementen während der Verschmelzung von Neutronensternen erhalten.
4. Es war möglich, eine direkte Messung der Hubble-Konstante zu erhalten

Wir erwarten, dass nachfolgende Beobachtungen dazu beitragen werden, die Massen und Radien von Neutronensternen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen (was für das Verständnis ihrer Struktur wichtig ist, also auch für die Kernphysik relevant ist), und wir freuen uns auch auf eine Veranstaltung, bei der die Die Verschmelzung zweier Neutronensterne wird zur beobachteten Bildung eines Schwarzen Lochs führen. Übrigens ist es unmöglich, genau zu sagen, was als Ergebnis dieses Ereignisses passiert ist (aber höchstwahrscheinlich hat sich trotzdem ein Schwarzes Loch gebildet).

Abschließend stellen wir fest, dass Astronomen sehr, sehr viel Glück haben. Erstens ist der Anstieg sehr nahe. Zweitens ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gravitationswellenausbruch von einem Gammastrahlenausbruch begleitet wird, nicht sehr hoch. Hoffen wir, dass die Astronomen weiterhin Glück haben!

Die Originalartikel mit Material zur Entdeckung finden Sie auf der LIGO-Website.

Sergej Popov

Am 16. Oktober berichteten Astronomen, dass sie am 17. August zum ersten Mal in der Geschichte Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Sterne aufgezeichnet haben Neutronensterne. 70 Gruppen von Wissenschaftlern waren an Beobachtungen beteiligt, und 4600 Astronomen wurden Mitautoren eines der diesem Ereignis gewidmeten Artikels - mehr als ein Drittel aller Astronomen der Welt. Die N + 1-Site erklärte in einem langen Artikel, warum dies eine wichtige Entdeckung ist und welche Fragen sie beantworten hilft.

Wie ist es passiert?

Am 17. August 2017 um 15:41:04 Uhr Moskauer Zeit hörte der Detektor des LIGO-Observatoriums in Hanford (Washington) eine rekordlange Gravitationswelle - das Signal dauerte etwa hundert Sekunden. Das ist eine sehr lange Zeitspanne – zum Vergleich: Die vorherigen vier Fixierungen von Gravitationswellen dauerten nicht länger als drei Sekunden. Das automatische Benachrichtigungsprogramm wurde ausgelöst. Astronomen überprüften die Daten: Es stellte sich heraus, dass auch der zweite LIGO-Detektor (in Louisiana) eine Welle detektierte, der automatische Trigger aber wegen kurzzeitigem Rauschen nicht funktionierte.

1,7 Sekunden später als der Detektor in Hanford funktionierte unabhängig davon das automatische System der Fermi- und Integral-Teleskope, Weltraum-Gammastrahlen-Observatorien, die einige der energiereichsten Ereignisse im Universum beobachten. Die Instrumente entdeckten einen hellen Blitz und bestimmten ungefähr seine Koordinaten. Im Gegensatz zum Gravitationssignal dauerte der Blitz nur zwei Sekunden. Interessanterweise bemerkte der russisch-europäische "Integral" den Gammastrahlenausbruch mit "peripherer Sicht" - "Schutzkristallen" des Hauptdetektors. Dies verhinderte jedoch nicht die Signaltriangulation.

Etwa eine Stunde später sendete LIGO Informationen über die möglichen Koordinaten der Gravitationswellenquelle aus – dieses Gebiet konnte dadurch bestimmt werden, dass auch der Virgo-Detektor das Signal bemerkte. Aus den Verzögerungen, mit denen die Detektoren ein Signal zu empfangen begannen, wurde deutlich, dass sich die Quelle höchstwahrscheinlich auf der Südhalbkugel befand: Zuerst erreichte das Signal Virgo und wurde erst dann, nach 22 Millisekunden, vom LIGO-Observatorium aufgezeichnet. Das ursprünglich für die Suche empfohlene Gebiet erreichte 28 Quadratgrad, was Hunderten von Mondgebieten entspricht.

Der nächste Schritt bestand darin, die Daten von Gamma- und Gravitationsobservatorien miteinander zu kombinieren und nach einer genauen Strahlungsquelle zu suchen. Da weder Gammateleskope noch Gravitationsteleskope es ermöglichten, den gewünschten Punkt mit großer Genauigkeit zu finden, leiteten die Physiker mehrere optische Suchen gleichzeitig ein. Einer von ihnen - mit Hilfe des robotischen Teleskopsystems "MASTER", das in der ORKB der Moskauer Staatsuniversität entwickelt wurde.

Beobachtung der europäischen Südsternwarte KilonovaEuropäische Südsternwarte (ESO)

Unter Tausenden von möglichen Kandidaten gelang es dem chilenischen meterlangen Swope-Teleskop, die gewünschte Flare zu entdecken – fast 11 Stunden nach den Gravitationswellen. Astronomen haben in der Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra einen neuen Leuchtpunkt registriert, dessen Helligkeit 17 Magnituden nicht überschritt. Ein solches Objekt ist für die Beobachtung in semiprofessionellen Teleskopen gut zugänglich.

Innerhalb von etwa einer Stunde danach fanden unabhängig von Swope vier weitere Observatorien die Quelle, darunter das argentinische Teleskop des MASTER-Netzwerks. Danach begann eine groß angelegte Beobachtungskampagne, an der sich die Teleskope des Südeuropäischen Observatoriums, Hubble, Chandra, das VLA-Array von Radioteleskopen und viele andere Instrumente beteiligten – insgesamt beobachteten mehr als 70 Wissenschaftlergruppen die Entwicklung von Veranstaltungen. Nach neun Tagen gelang es den Astronomen, ein Bild im Röntgenbereich und nach 16 Tagen im Radiofrequenzbereich zu erhalten. Leider näherte sich die Sonne nach einiger Zeit der Galaxie und im September wurden Beobachtungen unmöglich.

Was hat die Explosion verursacht?

Ein solch charakteristisches Bild einer Explosion in vielen elektromagnetischen Bereichen wurde schon vor langer Zeit vorhergesagt und beschrieben. Es entspricht der Kollision zweier Neutronensterne - ultrakompakte Objekte, die aus Neutronenmaterie bestehen.

Laut Wissenschaftlern betrug die Masse der Neutronensterne 1,1 und 1,6 Sonnenmassen (die Gesamtmasse ist relativ genau bestimmt - etwa 2,7 Sonnenmassen). Die ersten Gravitationswellen entstanden, als die Entfernung zwischen Objekten 300 Kilometer betrug.

Die große Überraschung war die geringe Entfernung dieses Systems zur Erde - etwa 130 Millionen Lichtjahre. Zum Vergleich: Das ist nur 50-mal weiter als von der Erde zum Andromeda-Nebel und fast eine Größenordnung weniger als die Entfernung von unserem Planeten zu Schwarzen Löchern, deren Kollision zuvor von LIGO und Virgo aufgezeichnet wurde. Darüber hinaus wurde die Kollision zur erdnächsten Quelle eines kurzen Gammastrahlenausbruchs.

Seit 1974 sind Doppelneutronensterne bekannt – eines dieser Systeme wurde von den Nobelpreisträgern Russell Hulse und Joseph Taylor entdeckt. Bisher befanden sich jedoch alle bekannten Neutronendoppelsterne in unserer Galaxie, und die Stabilität ihrer Umlaufbahnen war ausreichend, um in den nächsten Millionen Jahren nicht zu kollidieren. Das neue Sternenpaar näherte sich so weit, dass die Wechselwirkung einsetzte und sich der Prozess des Materietransfers zu entwickeln begann

Kollision zweier Neutronensterne. Nasa-Animation

Das Ereignis heißt Kilonova. Wörtlich bedeutet dies, dass die Helligkeit des Blitzes etwa tausendmal stärker war als typische Blitze neuer Sterne – Doppelsysteme, in denen ein kompakter Begleiter Materie auf sich zieht.

Was bedeutet das alles?

Die gesamte Bandbreite der gesammelten Daten ermöglicht es Wissenschaftlern bereits, das Ereignis als einen Eckpfeiler der zukünftigen Gravitationswellenastronomie zu bezeichnen. Nach den Ergebnissen der zweimonatigen Datenverarbeitung wurden etwa 30 Artikel in großen Zeitschriften geschrieben: sieben in Natur und Wissenschaft, sowie einarbeiten Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe und andere wissenschaftliche Veröffentlichungen. Die Co-Autoren eines dieser Artikel sind 4600 Astronomen aus verschiedenen Kollaborationen – das ist mehr als ein Drittel aller Astronomen der Welt.

Hier sind die Schlüsselfragen, die Wissenschaftler zum ersten Mal wirklich beantworten konnten.

Was löst kurze Gammablitze aus?

Gammablitze sind eines der energiereichsten Phänomene im Universum. Die Kraft eines solchen Ausbruchs reicht aus, um in Sekundenschnelle so viel Energie in den umgebenden Weltraum zu schleudern, wie die Sonne in 10 Millionen Jahren erzeugt. Es gibt kurze und lange Gammablitze; Gleichzeitig wird angenommen, dass dies Phänomene sind, die sich in ihrem Mechanismus unterscheiden. Beispielsweise gilt der Kollaps massereicher Sterne als Quelle langer Ausbrüche.

Die Quellen kurzer Gammablitze sind vermutlich Verschmelzungen von Neutronensternen. Eine direkte Bestätigung dafür gab es bisher jedoch nicht. Die neuen Beobachtungen sind der bisher stärkste Beweis für die Existenz dieses Mechanismus.

Wo im Universum kommen Gold und andere schwere Elemente her?

Die Nukleosynthese - die Verschmelzung von Kernen in Sternen - ermöglicht es Ihnen, eine große Auswahl an chemischen Elementen zu erhalten. Fusionsreaktionen laufen bei leichten Kernen unter Energiefreisetzung ab und sind im Allgemeinen energetisch günstig. Für Elemente, deren Masse nahe der Masse von Eisen liegt, ist der Energiegewinn nicht mehr so ​​groß. Aus diesem Grund entstehen in Sternen fast nie Elemente, die schwerer als Eisen sind – Ausnahmen sind Supernova-Explosionen. Aber sie sind völlig unzureichend, um die Fülle von Gold, Lanthanoiden, Uran und anderen schweren Elementen im Universum zu erklären.

1989 schlugen Physiker vor, dass die r-Nukleosynthese bei der Verschmelzung von Neutronensternen dafür verantwortlich sein könnte. Mehr dazu lesen Sie im Blog des Astrophysikers Marat Musin. Bis heute war dieser Vorgang nur in der Theorie bekannt.

Spektralstudien des neuen Ereignisses zeigten deutliche Spuren der Geburt schwerer Elemente. Dank der Spektrometer des Very Large Telescope (VLT) und von Hubble haben Astronomen das Vorhandensein von Cäsium, Tellur, Gold und Platin entdeckt. Es gibt auch Hinweise auf die Bildung von Xenon, Jod und Antimon. Physiker schätzen, dass die Kollision eine Gesamtmasse von leichten und schweren Elementen ausgestoßen hat, die 40 Jupitermassen entspricht. Allein Gold bildet nach theoretischen Modellen etwa 10 Mondmassen.

Was ist die Hubble-Konstante?

Mit Hilfe spezieller "Standardkerzen" ist es möglich, die Expansionsrate des Universums experimentell abzuschätzen. Das sind Objekte, bei denen die absolute Helligkeit bekannt ist, was bedeutet, dass man aus dem Verhältnis zwischen absoluter und scheinbarer Helligkeit schließen kann, wie weit sie entfernt sind. Aus der Dopplerverschiebung beispielsweise von Wasserstofflinien wird die Expansionsrate bei gegebenem Abstand vom Beobachter bestimmt. Die Rolle von "Standardkerzen" spielen beispielsweise Supernovae vom Typ Ia ("Explosionen" von Weißen Zwergen) - übrigens wurde an ihrer Probe die Expansion des Universums nachgewiesen.

Beobachtung der Verschmelzung zweier Neutronensterne vom Teleskop des Paranal-Observatoriums (Chile) European Southern Observatory (ESO)

Die Hubble-Konstante gibt eine lineare Abhängigkeit der Expansionsrate des Universums in einer bestimmten Entfernung an. Jede unabhängige Definition ihres Wertes ermöglicht es uns, die Gültigkeit der akzeptierten Kosmologie zu überprüfen.

Die Quellen der Gravitationswellen sind ebenfalls "Standardkerzen" (oder, wie sie im Artikel genannt werden, "Sirenen"). Aufgrund der Art der von ihnen erzeugten Gravitationswellen können Sie die Entfernung zu ihnen unabhängig bestimmen. Genau das haben Astronomen in einem der neuen Werke verwendet. Das Ergebnis deckte sich mit anderen unabhängigen Messungen – basierend auf kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und Beobachtungen von Objekten mit Gravitationslinsen. Die Konstante entspricht ungefähr 62–82 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec. Das bedeutet, dass sich zwei 3,2 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxien im Durchschnitt mit einer Geschwindigkeit von 70 Kilometern pro Sekunde voneinander entfernen. Neue Verschmelzungen von Neutronensternen werden dazu beitragen, die Genauigkeit dieser Schätzung zu erhöhen.

Wie ist die Schwerkraft angeordnet?

Die heute allgemein akzeptierte allgemeine Relativitätstheorie sagt das Verhalten von Gravitationswellen genau voraus. Die Quantentheorie der Schwerkraft wurde jedoch noch nicht entwickelt. Es gibt mehrere Hypothesen darüber, wie es angeordnet werden kann - dies sind theoretische Konstruktionen mit einer großen Anzahl unbekannter Parameter. Die gleichzeitige Beobachtung von elektromagnetischer Strahlung und Gravitationswellen wird es ermöglichen, die Grenzen dieser Parameter zu klären und einzugrenzen sowie einige Hypothesen zu widerlegen.

Beispielsweise bestätigt die Tatsache, dass Gravitationswellen 1,7 Sekunden vor Gammastrahlen eintrafen, dass sie sich tatsächlich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Darüber hinaus kann der Wert der Verzögerung selbst verwendet werden, um das der Allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegende Äquivalenzprinzip zu testen.

Wie sind Neutronensterne angeordnet?

Wir kennen den Aufbau von Neutronensternen nur allgemein. Sie haben einen Kern aus schweren Elementen und einen Neutronenkern – aber zum Beispiel kennen wir immer noch nicht die Zustandsgleichung der Neutronenmaterie im Kern. Und davon hängt zum Beispiel die Antwort auf eine so einfache Frage ab: Was genau ist bei der von Astronomen beobachteten Kollision entstanden?

Visualisierung von Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne

Wie Weiße Zwerge haben Neutronensterne das Konzept einer kritischen Masse, jenseits derer der Kollaps beginnen kann. Je nachdem, ob die Masse des neuen Objekts die kritische Masse überschritten hat oder nicht, gibt es mehrere Szenarien für die weitere Entwicklung der Ereignisse. Ist die Gesamtmasse zu groß, kollabiert das Objekt sofort zu einem Schwarzen Loch. Ist die Masse etwas geringer, dann kann ein im Nichtgleichgewicht schnell rotierender Neutronenstern entstehen, der aber mit der Zeit ebenfalls zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Eine alternative Möglichkeit ist die Bildung eines Magnetars, eines schnell rotierenden Neutronenlochs mit einem riesigen Magnetfeld. Anscheinend ist der Magnetar bei der Kollision nicht entstanden – die begleitende Emission harter Röntgenstrahlung wurde nicht aufgezeichnet.

Laut Vladimir Lipunov, dem Leiter des MASTER-Netzwerks, reichen die derzeit verfügbaren Daten nicht aus, um genau herauszufinden, was durch die Fusion entstanden ist. Astronomen haben jedoch bereits eine Reihe von Theorien, die in den kommenden Tagen veröffentlicht werden. Es ist möglich, dass zukünftige Neutronensternverschmelzungen die erforderliche kritische Masse bestimmen können.

Wladimir Koroljow, N+1