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 Hülle der ausgestoßenen Materie ungehindert durchbrochen haben muss. (BEABUDAI DESIGN)

Durch das Zusammenführen von Neutronensternen entstand ein unaufhaltsamer Jet, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt

Im Jahr 2017 haben wir zum ersten und einzigen Mal Gravitationswellen als Neutronenstern-Fusion 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. Über 100 Millionen Jahre zuvor waren zwei Neutronensterne, die in der fernen Galaxie NGC 4993 zusammengebunden waren, inspiriert und verschmolzen miteinander, was zu einer erstaunlichen kosmischen Explosion führte. Das Ereignis ist heute als Kilonova bekannt und soll für die Entstehung der schwersten Elemente im gesamten Universum verantwortlich sein.

Durch die Inspiration und die Fusion wurden zwei Signale erzeugt, die wir praktisch gleichzeitig erfassen konnten: Gravitationswellen, die mit LIGO und Virgo nachweisbar sind, und elektromagnetische Strahlung oder Licht über die gesamte Wellenlängenreihe, die wir beobachten können. Aber es gibt noch etwas anderes: Materie. Heute haben Wissenschaftler in einem neuen Artikel in Science festgestellt, dass ein riesiger Jet produziert wurde, der sich immer noch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Künstlerillustration von zwei verschmelzenden Neutronensternen. Das wellige Raumzeitgitter repräsentiert Gravitationswellen, die von der Kollision emittiert werden, während die schmalen Strahlen die Strahlen von Gammastrahlen sind, die nur Sekunden nach den Gravitationswellen herausschießen (von Astronomen als Gammastrahlenstoß erfasst). Der von Astronomen gesehene Jet muss sich von diesem unterscheiden. (NSF / LIGO / SONOMA STATE UNIVERSITY / A. SIMONNET)

Es ist keine Überraschung, dass ein Ereignis wie dieses etwas so Energievolles hervorbringen würde. Neutronensterne selbst sind einige der extremsten Objekte, die Sie sich vorstellen können. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen ein Objekt, das so massereich wie die Sonne oder noch größer ist, und komprimieren es zu einem Ball von der Größe einer Großstadt wie Chicago. 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 alleine 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 wird, in ein Schwarzes Loch fallen.

Ein Neutronenstern erzeugt, obwohl er hauptsächlich 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 (abhängig vom Spin), können sie in weniger als einer Sekunde zu Schwarzen Löchern werden. (NASA / CASEY REED - PENN STATE UNIVERSITY)

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

Die hier dargestellte Inspiration und Verschmelzung zweier Neutronensterne erzeugte ein sehr spezifisches Gravitationswellensignal. Darüber hinaus erzeugten der Moment und die Folgen der Fusion auch elektromagnetische Strahlung, die einzigartig und als zu einer solchen Katastrophe gehörig identifizierbar 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 Bruchteil einer Sekunde nahmen ihre Dichten über eine kritische Schwelle hinaus zu, und es kam zu einer außer Kontrolle geratenen Kernreaktion, bei der sie sich gegenseitig kontaktierten. Auf einmal ereignete sich ein Ereignis, das als Kilonova bekannt ist.

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

Die 130 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie NGC 4993 war schon oft abgebildet worden. Unmittelbar nach der Detektion von Gravitationswellen am 17. August 2017 wurde eine neue transiente Lichtquelle gesehen: das optische Gegenstück einer Neutronenstern-Neutronenstern-Fusion. (PK BLANCHARD / E. BERGER / PAN-STARRS / DECAM)

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

  • Was waren die Massen (ungefähr 1,3 Sonnen) und Entfernungen (ungefähr 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 (ungefähr 95%),
  • und was mit dem Rest der Masse geschah (es wurde zu den schwersten Elementen im Periodensystem, einschließlich Gold, Platin, Uran und Plutonium).
Wenn zwei Neutronensterne verschmelzen, wie hier simuliert, sollten sie Gammastrahlen-Burst-Jets sowie andere elektromagnetische Phänomene erzeugen, die, wenn sie nahe genug an der Erde liegen, bei 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 haben dieses einzigartige Ereignis angesehen und es wochenlang kontinuierlich überwacht. Das Nachleuchten, als wir zu immer längeren Wellenlängen gingen, hellte sich im Laufe der Zeit auf und verblasste dann in den meisten Frequenzen, in denen wir schauen konnten.

Wir konnten die Produktion der verschiedenen Elemente quantifizieren. Zum Beispiel wurden ungefähr 10⁴⁶ Atome Gold erzeugt oder zehn Billiarden Mal so viel, wie wir in der gesamten menschlichen Geschichte 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 gelernt, dass die meisten der schwersten Elemente im Universum bei Neutronensternkollisionen wie dieser entstehen.

Zwei verschmelzende Neutronensterne, wie hier dargestellt, spiralförmig ein und emittieren Gravitationswellen, erzeugen jedoch ein Signal mit viel geringerer Amplitude als Schwarze Löcher. Daher können sie nur gesehen werden, wenn sie ganz in der Nähe sind und nur über sehr lange Integrationszeiten. Der Auswurf, der von den äußeren Schichten des Zusammenschlusses abgeworfen wurde, blieb viele Monate lang eine reichhaltige Quelle elektromagnetischer 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 man es von einer Halbwertszeit erwarten würde - die meisten Zerfälle traten früh auf, und fiel schnell ab.

Aber dann, Wochen nach der Kollision, tauchten sowohl Röntgenstrahlen als auch Radiowellen wieder auf, und dieses verstärkte neue Signal hielt monatelang an. Es wurde zunächst angenommen, dass Material aus der Kollision ausgestoßen wurde und in Gas zerschmettert wurde, das bereits im interstellaren Medium vorhanden war. Diese Interaktion lieferte eine Energieinjektion, die Gedankenlinie ging, und das war verantwortlich für das Wiederauftauchen eines Glühens, das zuvor verblasste.

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. Was jedoch eine große Überraschung war, war ein zweiter, späterer Ausbruch zweier relativistischer Jets, die nach der Fusion entstanden. (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 neuen Forschung, die gerade veröffentlicht wurde, ist, dass sie eine fantastische Datenreihe enthält. Mit einer Reihe von 32 einzelnen Radioteleskopen, die über 5 Kontinente verteilt waren und gleichzeitig dieselben Objekte beobachteten, konnten die Wissenschaftler das Radio-Nachleuchten wie nie zuvor beobachten. Durch die Implementierung der Technik der Interferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI) mit einer solchen hellen Quelle wurde eine beispiellose Auflösung erreicht.

Eine Anordnung von 32 Radioteleskopen auf fünf verschiedenen Kontinenten wurde verwendet, um die Folgen der Verschmelzung von Neutronensternen in NGC 4993 direkt abzubilden, sodass Astronomen die vom Interaktionspunkt austretenden strukturierten Jets auflösen konnten, obwohl sie einen Durchmesser von weniger als einem Lichtjahr hatten . (PAUL BOVEN)

Die 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, da die Anzahl der Wellenlängen des Lichts, die darüber passen, die Winkelgröße der Auflösung bestimmt.

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 ermitteln. Dies ist die Technik, mit der das Ereignishorizont-Teleskop das erste Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs erstellt. Mit dieser Technik konnten Astronomen die Form der Ergebnisse dieser Neutronenstern-Neutronenstern-Fusion bestimmen.

Künstlerische Darstellung eines Jets, der aus dem durch die Fusion der Neutronensterne ausgestoßenen Material ausbricht. Der Jet wird durch das Schwarze Loch erzeugt, das von einer heißen Scheibe umgeben ist, die nach der Fusion gebildet wurde. (OS SALAFIA, G. GHIRLANDA, NASA / CXC / GSFC / B. WILLIAMS ET AL.)

Unter der Leitung von Giancarlo Ghirlanda wurden satte 207 Tage Daten kombiniert, sodass Astronomen sehen konnten, was im Laufe der Zeit entstanden ist.

Das Ergebnis war spektakulär: Durch die Fusion entstand ein strukturierter Materialstrahl, der in zwei antiparallelen Linien vom Kollisionspunkt weg raste. Während viele Wissenschaftler erwarteten, dass es eine Art Kokonform geben würde oder etwas, das die produzierten Jets einschränkt, wiesen die Daten auf etwas anderes hin. Stattdessen durchbohrte dieser strukturierte Strahl das gesamte bei der Fusion ausgestoßene Material und entkam weiterhin mit nahezu Lichtgeschwindigkeit schnell in den interstellaren Raum. Es war, als könnte nichts es verlangsamen.

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 relativistische Strahl, der von seinem zentralen Kern ausgeht, ist einer der größten und am meisten kollimierten, die jemals beobachtet wurden. (ESA / HUBBLE UND NASA)

Wie kann man so einen Jet machen? Wir haben sie bisher nur aus einer anderen Quelle gesehen: von Schwarzen Löchern, die sich von Materie ernähren. Das muss der Hinweis sein, der das Rätsel löst! Es ist nicht so, dass die Fusion selbst einen Jet erzeugt hat, sondern dass die abgeschlossene Fusion ein Schwarzes Loch erzeugt hat, und dieses sich drehende Schwarze Loch hat die Angelegenheit um es herum beschleunigt und die Jets erzeugt, die wir danach gesehen haben. Es erklärt, warum es eine Verdunkelung 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 dafür, dass diese 2017 beobachteten verschmelzenden Neutronensterne ein Schwarzes Loch erzeugt haben müssen. Nach unserem derzeitigen Verständnis des Universums könnten wir nicht sicherer sein.

In den letzten Augenblicken 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 oberen 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 diejenigen, die Sie nicht erwartet hatten. Wir haben vielleicht erwartet, dass das Verschmelzen von Neutronensternen die schwersten Elemente von allen erzeugen würde, aber niemand sah einen strukturierten Strahl, der danach aus einem Schwarzen Loch austrat, als etwas, das auftreten sollte. Doch hier ernten wir die Gaben des Universums. Es ist eine Erinnerung aus dem Kosmos an uns: An dem Tag, an dem wir unsere wissenschaftlichen Untersuchungen einstellen, hören wir auf, die Geheimnisse aufzudecken, die unserer Existenz zugrunde liegen.

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