2017 verschmolzen zwei Neutronensterne in einer 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie. Wir haben jetzt einen ultraschnellen Strahl beobachtet, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, was bedeutet, dass er die Schale der ausgestoßenen Materie ungehindert durchbrochen haben muss. (BEABUDAI DESIGN)

Durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstand ein unaufhaltsamer Jet, der sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt

Im Jahr 2017 haben wir Gravitationswellen zum ersten und einzigen Mal als Neutronensternfusion gesehen. Und es wird immer interessanter.

Am 17. August 2017 traf ein kosmisches Signal auf der Erde ein, das unsere Sicht auf das Universum für immer verändern würde. Vor über 100 Millionen Jahren schlossen sich zwei Neutronensterne, die in der fernen Galaxie NGC 4993 zusammengebunden waren, inspirierend zusammen und verursachten dabei eine erstaunliche kosmische Explosion. Das Ereignis wird heute als Kilonova bezeichnet und ist vermutlich für die Erschaffung der schwersten Elemente verantwortlich, die im gesamten Universum vorhanden sind.

Durch die Inspiration und Verschmelzung sind zwei Signale entstanden, die wir praktisch gleichzeitig erfassen konnten: Gravitationswellen, die mit LIGO und Virgo erfasst werden können, und elektromagnetische Strahlung oder Licht über die gesamte Wellenlängenreihe, die wir beobachten können. Aber es gibt noch etwas anderes: Materie. In einer neuen Veröffentlichung in Science stellten Wissenschaftler heute fest, dass ein riesiger Jet produziert wurde und sich immer noch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Künstlerische Darstellung zweier verschmelzender Neutronensterne. Das sich kräuselnde Raumzeitgitter repräsentiert Gravitationswellen, die von der Kollision ausgehen, während die schmalen Strahlen die Strahlen von Gammastrahlen sind, die nur Sekunden nach den Gravitationswellen herausschießen (von Astronomen als Gammastrahlenexplosion erkannt). Der Jet, den die Astronomen sehen, muss sich von diesem unterscheiden. (NSF / LIGO / SONOMA STATE UNIVERSITY / A. SIMONNET)

Es ist keine Überraschung, dass eine Veranstaltung wie diese etwas so Energisches hervorbringen würde. Neutronensterne selbst gehören zu den extremsten Objekten, die man sich vorstellen kann. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen ein Objekt, das so groß wie die Sonne oder noch größer ist, und komprimieren es zu einer Kugel, die etwa so groß wie eine Großstadt wie Chicago ist. Es wäre wie ein riesiger Atomkern, in dem die inneren 90% einfach eine Kugel aus festen Neutronen sind, daher der Name: Neutronenstern.

Neutronensterne können sich selbst so schnell drehen - bis zu zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit -, dass sie die größten bekannten Magnetfelder im Universum erzeugen: Hunderte Millionen Mal so stark wie jeder Magnet auf der Erde und eine Billiarde mal stärker als das Erdmagnetfeld. Soweit wir wissen, würde ein Neutronenstern, wenn er dichter würde, zu einem Schwarzen Loch zusammenbrechen.

Ein Neutronenstern erzeugt, obwohl er größtenteils aus neutralen Teilchen besteht, die stärksten Magnetfelder im Universum, eine Billiarde Mal stärker als die Felder an der Erdoberfläche. Wenn Neutronensterne verschmelzen, sollten sie sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Signaturen erzeugen. Wenn sie eine Schwelle von etwa 2,5 bis 3 Sonnenmassen überschreiten (je nach Spin), können sie in weniger als einer Sekunde zu Schwarzen Löchern werden. (NASA / CASEY REED - PENN STATE UNIVERSITY)

Was wir 2017 beobachtet haben, war noch spektakulärer als ein Neutronenstern allein: Wir haben die Inspiration und Verschmelzung von zwei dieser Objekte beobachtet. Vor der Fusion wussten wir, dass zwei Neutronensterne, die jeweils etwas massereicher als unsere Sonne waren, in einer binären Umlaufbahn eingeschlossen waren. Während sie sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt bewegten, strahlten sie Gravitationswellen aus und strahlten Energie ab, während ihre Umlaufbahnen enger und schneller wurden.

Die Inspiration und Verschmelzung zweier Neutronensterne, wie hier dargestellt, erzeugte ein sehr spezifisches Gravitationswellensignal. Darüber hinaus haben der Zeitpunkt und die Folgen des Zusammenschlusses auch elektromagnetische Strahlung erzeugt, die einzigartig und als zu einem solchen Katastrophenfall gehörig erkennbar ist. (NASA / CXC / GSFC / T.STROHMAYER)

In den letzten Augenblicken nahm diese Strahlung sowohl in der Amplitude als auch in der Frequenz zu, und dann erreichten sie den entscheidenden Moment von allen: ihre Oberflächen berührten sich. In einem winzigen Sekundenbruchteil stieg ihre Dichte über eine kritische Schwelle hinaus an, und es fand eine außer Kontrolle geratene Kernreaktion statt, bei der sie sich berührten. Auf einmal ereignete sich ein als Kilonova bekanntes Ereignis.

Weniger als zwei Sekunden, nachdem die Gravitationswellen ihren höchsten Wert erreicht hatten, wurde im elektromagnetischen Spektrum eine Spitze beobachtet: vom Fermi-Gammastrahlenobservatorium der NASA. Dieses Ereignis, bekannt als Gammastrahlenexplosion, war das erste, das jemals mit einer Fusion von Neutronenstern und Neutronenstern in Zusammenhang gebracht wurde.

Die Galaxie NGC 4993, die 130 Millionen Lichtjahre entfernt ist, wurde bereits mehrfach abgebildet. Doch kurz nach der Detektion von Gravitationswellen am 17. August 2017 wurde eine neue transiente Lichtquelle entdeckt: das optische Gegenstück einer Neutronenstern-Neutronenstern-Fusion. (P.K. BLANCHARD / E. BERGER / PAN-STARRS / DECAM)

Der Ausbruch mag sowohl in Gravitationswellen als auch in Gammastrahlen von kurzer Dauer gewesen sein, aber die empfangenen Signale waren spektakulär informativ. Fast sofort haben wir gelernt:

  • Wie groß waren die Massen (etwa 1,3 Sonnen) und Entfernungen (etwa 130 Millionen Lichtjahre) der Neutronensterne?
  • was sie nach der Fusion wurden (ein sich schnell drehender Neutronenstern, der in weniger als einer Sekunde zu einem Schwarzen Loch zusammenbrach),
  • wie viel von der Masse wurde ein Schwarzes Loch (ca. 95%),
  • und was passierte mit dem Rest der Masse (es wurde zu den schwersten Elementen im Periodensystem, einschließlich Gold, Platin, Uran und Plutonium).
Wenn zwei Neutronensterne, wie hier simuliert, verschmelzen, sollten sie Gammastrahlen-Burst-Jets sowie andere elektromagnetische Phänomene erzeugen, die, wenn sie nahe genug an der Erde liegen, mit einigen unserer größten Observatorien sichtbar sein könnten. (NASA / ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT / ZUSE-INSTITUT BERLIN / M. KOPPITZ UND L. REZZOLLA)

Aber wir waren noch nicht fertig. Es gab immer noch das Nachleuchten, das für Teleskope aller Wellenlängen auf der ganzen Welt sichtbar wurde. Röntgen-, Ultraviolett-, optische, Infrarot- und Radioteleskope beobachteten dieses einzigartige Ereignis und überwachten es wochenlang kontinuierlich. Das Nachleuchten hellte sich mit der Zeit auf, als wir zu immer längeren Wellenlängen gingen, und verblasste dann auf den meisten Frequenzen, auf die wir schauen konnten.

Wir konnten die Produktion der verschiedenen Elemente quantifizieren. Zum Beispiel wurden ungefähr 10⁴⁶ Atome Gold erzeugt oder zehn Billionen Mal so viel, wie wir in der gesamten Geschichte der Menschheit abgebaut haben. Wir haben erfahren, dass die beiden Neutronensterne vor mehr als 11 Milliarden Jahren ihren Ursprung hatten und seitdem bis zu ihrer Verschmelzung inspirierend waren. Wir haben erfahren, dass die meisten der schwersten Elemente im Universum bei Neutronenstern-Kollisionen wie dieser entstehen.

Zwei verschmelzende Neutronensterne, wie hier dargestellt, spiralen sich ein und senden Gravitationswellen aus, erzeugen jedoch ein Signal mit viel geringerer Amplitude als Schwarze Löcher. Daher können sie nur gesehen werden, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe befinden und nur über sehr lange Integrationszeiten. Der Auswurf, der von den äußeren Schichten des Zusammenschlusses abgeworfen wurde, blieb viele Monate lang eine reiche Quelle für elektromagnetische Signale. (DANA BERRY / SKYWORKS DIGITAL, INC.)

Aber wir waren immer noch nicht fertig. Obwohl die Signale im gesamten elektromagnetischen Spektrum verblassten, gab es noch mehr Wissenschaft zu tun. Der Großteil des Lichts stammte von radioaktiven Zerfällen des Materials, das in das den Kollisionspunkt umgebende interstellare Medium injiziert wurde, und - wie Sie es von einer Halbwertszeit erwarten würden - trat der Großteil der Zerfälle früh auf, und schnell abgefallen.

Aber dann, Wochen nach der Kollision, kam es zu einem erneuten Auftreten von Röntgenstrahlen und Radiowellen, und dieses verstärkte neue Signal hielt Monate an. Es wurde zunächst die Theorie aufgestellt, dass Material aus der Kollision ausgestoßen wurde und in Gas zerbrach, das bereits im interstellaren Medium vorhanden war. Diese Wechselwirkung lieferte eine Energieinjektion, so lautete die Überlegung, und das war verantwortlich für das Wiederauftauchen eines Glühens, das zuvor verblasst war.

Während einer Inspiration und Verschmelzung von zwei Neutronensternen sollte eine enorme Menge an Energie freigesetzt werden, zusammen mit schweren Elementen, Gravitationswellen und einem elektromagnetischen Signal, wie hier dargestellt. Aber was eine große Überraschung war, war ein zweiter, späterer Ausbruch von zwei relativistischen Jets, die nach der Fusion entstanden waren. (NASA / JPL)

In den besten Fällen der Wissenschaft geben wir jedoch nicht einfach eine wahrscheinliche Erklärung ab und betrachten den Fall als abgeschlossen. Wir suchen nach weiteren Informationen, um unsere Ideen zu testen und festzustellen, ob sie Wasser enthalten oder nicht. So mächtig und fortschrittlich unsere besten Theorien auch sein mögen, wir müssen sie unbedingt mit experimentellen oder Beobachtungsdaten konfrontieren, oder wir machen überhaupt keine Wissenschaft.

Das Beeindruckendste an der soeben veröffentlichten neuen Studie ist, dass sie eine fantastische Reihe von Daten enthält. Mit einer Anordnung von 32 einzelnen Radioteleskopen, die auf 5 Kontinenten verteilt waren und gleichzeitig die gleichen Objekte beobachteten, konnten die Wissenschaftler das Nachleuchten des Radios wie nie zuvor beobachten. Durch Implementierung der Technik der Interferometrie mit sehr langer Grundlinie (VLBI) mit einer hellen Quelle wie dieser erreichten sie eine beispiellose Auflösung.

Ein Array von 32 Radioteleskopen auf fünf verschiedenen Kontinenten wurde verwendet, um die Nachwirkungen der verschmelzenden Neutronensterne in NGC 4993 direkt abzubilden. Auf diese Weise konnten Astronomen die aus dem Interaktionspunkt austretenden strukturierten Jets auflösen, obwohl sie weniger als ein Lichtjahr lang waren . (PAUL BOVEN)

Auflösung ist das, was Sie benötigen, wenn Sie die Form oder Konfiguration einer entfernten Quelle im Universum bestimmen möchten. In der Regel erhalten Sie eine bessere Auflösung, wenn Sie ein größeres Teleskop bauen. Die Anzahl der Wellenlängen des Lichts, die darüber passen, bestimmt die Winkelgröße dessen, was Sie auflösen können.

Mit der VLBI-Technik können Sie jedoch noch bessere Ergebnisse erzielen, wenn Ihre Quelle hell genug ist. Sicher, Sie erhalten nur die Lichtsammelkraft der Größe Ihrer einzelnen Gerichte, aber Sie können die Auflösung des Abstands zwischen den verschiedenen Teleskopen erhalten. Mit dieser Technik erstellt das Ereignishorizont-Teleskop das erste Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs. Mit dieser Technik konnten Astronomen die Form bestimmen, die nach dieser Neutronenstern-Neutronenstern-Fusion entstanden ist.

Der künstlerische Eindruck eines Jets, der aus dem von den Neutronensternen ausgestoßenen Material ausbricht. Der Strahl wird von dem Schwarzen Loch erzeugt, das von einer heißen Scheibe umgeben ist, die sich nach dem Zusammenschluss gebildet hat. (O.S. SALAFIA, G. GHIRLANDA, NASA / CXC / GSFC / B. WILLIAMS ET AL.)

Unter der Leitung von Giancarlo Ghirlanda wurden satte 207 Tage an Daten zusammengefasst, damit Astronomen sehen können, was im Laufe der Zeit entstanden ist.

Das Ergebnis war spektakulär: Durch den Zusammenschluss entstand ein strukturierter Materialstrahl, der in zwei antiparallelen Linien vom Kollisionspunkt wegflog. Während viele Wissenschaftler erwarteten, dass es eine Art Kokonform geben würde oder etwas, das die Produktion von Jets einschränkt, deuteten die Daten auf etwas anderes hin. Stattdessen durchschlug dieser strukturierte Strahl das gesamte Material, das bei der Fusion ausgestoßen wurde, und entkam weiterhin mit nahezu Lichtgeschwindigkeit schnell in den interstellaren Raum. Es war, als ob nichts es bremsen könnte.

Das zweitgrößte Schwarze Loch von der Erde aus gesehen, das im Zentrum der Galaxie M87 liegt, ist etwa 1000-mal größer als das Schwarze Loch der Milchstraße, aber über 2000-mal weiter entfernt. Der von seinem zentralen Kern ausgehende relativistische Jet ist einer der größten, am stärksten kollimierten, die jemals beobachtet wurden. (ESA / HUBBLE UND NASA)

Wie kann man so einen Jet machen? Wir haben sie nur von einer anderen Quelle aus gesehen: von Schwarzen Löchern, die sich von Materie ernähren. Das muss der Hinweis sein, der das Rätsel löst! Es ist nicht so, dass der Zusammenschluss selbst einen Jet hervorgebracht hat, sondern dass der abgeschlossene Zusammenschluss ein Schwarzes Loch hervorgebracht hat, und dieses sich drehende Schwarze Loch beschleunigte die Angelegenheit um es herum und erzeugte die Jets, die wir später sahen. Es erklärt, warum es ein Dimmen gab, gefolgt von einer zweiten Aufhellungsrunde, und es erklärt die kollimierte Struktur und die fantastisch großen Energien und Geschwindigkeiten. Ohne ein zentrales Schwarzes Loch gibt es keinen bekannten Weg, dies zu tun.

Dies ist vielleicht der lang erwartete Beweis, dass diese 2017 beobachteten verschmelzenden Neutronensterne ein Schwarzes Loch hervorgebracht haben müssen. Basierend auf unserem gegenwärtigen Verständnis des Universums könnten wir uns nicht sicherer sein.

In den letzten Momenten der Verschmelzung senden zwei Neutronensterne nicht nur Gravitationswellen aus, sondern eine katastrophale Explosion, die über das elektromagnetische Spektrum hallt. Gleichzeitig erzeugt es eine Menge schwerer Elemente zum sehr hohen Ende des Periodensystems. Nach dieser Fusion müssen sie sich niedergelassen haben, um ein Schwarzes Loch zu bilden, das später kollimierte, relativistische Jets hervorbrachte, die die umgebende Materie durchbrachen. (UNIVERSITÄT WARWICK / MARK GARLICK)

In der Wissenschaft sind manchmal die besten Ergebnisse die, die Sie nicht erwartet haben. Wir haben vielleicht vorausgesehen, dass die Verschmelzung von Neutronensternen die schwersten Elemente von allen hervorbringen würde, aber niemand hat danach einen strukturierten Strahl als etwas gesehen, das auftreten sollte. Doch hier ernten wir die Gaben des Universums. Es erinnert uns an den Kosmos: An dem Tag, an dem wir unsere wissenschaftlichen Untersuchungen einstellen, entdecken wir nicht mehr die Geheimnisse, die unserer Existenz zugrunde liegen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.