"We Do not Planet" Episode 3: Was ist los mit Gravitations-Lensing?

Zum ersten Mal haben Astronomen Beweise für einen Kokon aus Material gefunden, das aus einem Paar zusammenfließender Neutronensterne herausspringt. Solche Fusionen können die Quelle für viele der schwersten Elemente des Universums sein.

Im August beobachteten Astronomen das nie zuvor gesehene Phänomen, dass zwei Neutronensterne zusammenwachsen. Neutronensterne sind Leichen großer Sterne, die in katastrophalen Explosionen, sogenannten Supernovae, umgekommen sind. Obwohl Neutronensterne normalerweise klein sind, mit Durchmessern von ungefähr 12 Meilen (19 Kilometer) oder so, sind sie extrem dicht. Die Masse eines Neutronensterns kann etwa gleich sein wie die der Sonne; Ein Teelöffel Neutronensternmaterial hat eine Masse von etwa einer Milliarde Tonnen, wodurch Neutronensterne neben Schwarzen Löchern die dichtesten Objekte des Universums sind.

Die August-Entdeckung wurde gemacht, als Wissenschaftler Wellen im Gewebe von Raum und Zeit als Gravitationswellen bekannt entdeckten, die von einem Zusammenstoß zwischen einem Paar Neutronensterne, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt waren, herrührten, eine Fusion namens GW170817. Die Astronomen verfolgten diesen Fund mit Beobachtungen von konventionellen Teleskopen und beobachteten das erste Mal, dass sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Wellen von einem astronomischen Ereignis beobachtet wurden. [Der erste Blick kollidierender Neutronensterne liefert atemberaubende Bilder]

Die Lichtwellenlängen, die durch das von GW170817 ausgestoßene Material freigesetzt wurden, zeigten, dass diese Materie mit neu synthetisierten Elementen beladen war. Diese Ergebnisse bestätigten 70 Jahre Forschung, die nahelegt, dass Neutronen-Sterne-Fusionen stark genug sind, um schwere Elemente wie Gold, Platin und Blei zu synthetisieren.

Die Wissenschaftler wussten bereits, wo leichtere Elemente synthetisiert wurden; Die meisten Wasserstoff und Helium stammten aus dem Urknall, und Elemente auf Eisen im Periodensystem sind meist in den Kernen von Sternen geschmiedet. GW170817 lieferte die ersten konkreten Beweise, dass Neutronen-Stern-Verschmelzungen die Geburtsstätten der Hälfte der Elemente des Universums sind, die schwerer als Eisen sind.

Die von den Forschern beobachteten Emissionen von Nahinfrarot-, sichtbarem und ultraviolettem Licht lassen sich durch den radioaktiven Zerfall schwerer Elemente wie Uran und Gold erklären, die während GW170817 ausgespuckt wurden. Die von den Wissenschaftlern festgestellten Emissionen von Radiowellen, Röntgen- und Gammastrahlen stellten jedoch ein Rätsel dar, sagten Forscher in einer neuen Studie.

Nach einem Modell von Neutronen-Stern-Kollisionen waren diese rätselhaften Emissionen das Ergebnis von starken, schmalen Strahlen, die während GW170817 abgegeben wurden und "außerhalb der Achse" oder weg von der Sichtlinie der Erde gerichtet waren. Dieses Modell legt auch nahe, dass Neutronen-Stern-Verschmelzungen die primären Quellen von kurzen Gammastrahlenausbrüchen sind, die zu den stärksten Explosionen im Universum gehören.

Forscher, die den Zusammenschluss mit Radioteleskopen beobachteten, stellten fest, dass die Funkemissionen von GW170817 im Laufe der Zeit stetig zunahmen. Dies steht nicht im Einklang mit dem Off-Axis-Jet-Modell, das darauf hindeutet, dass die Radioemissionen mit der Zeit langsam schwächer werden.

Stattdessen vermuten die Forscher nun, dass die verschmelzenden Neutronensterne einen Kokon aus Material hervorbrachten. "Dies ist das erste Mal, dass eine Struktur wie diese gesehen wurde", sagte Studienautor Kunal Mooley, ein Astrophysiker am California Institute of Technology in Pasadena, gegenüber ProfoundSpace.org. Die Forscher vermuten, dass ein großer Teil der Neutronen-Sterne-Verschmelzungen solche Kokons erzeugen kann, was impliziert, "dass es eine ganz neue Population noch nicht identifizierter vorübergehender astrophysikalischer Ereignisse gibt, mit denen wir jetzt anfangen müssen zu suchen", sagte Mooley.

Beide Modelle deuten darauf hin, dass sich bei der Fusion von Neutronensternen eine Explosion namens Kilonova ergibt, die eine kugelförmige, sich ausdehnende Trümmerschale abgibt. Während jedoch ein Modell vorschlägt, dass die Fusion auch ein Paar von engen Strahlen ausstrahlt, die durch diese Hülle schlagen, legt das Kokonmodell nahe, dass eine Fusion ein Paar viel breiterer Kegel von Strahlung ausstrahlen kann, die im Wesentlichen einen breiten Kokon von Materie nach außen sprengen "Bei GW170817 mit 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit", sagte Mooley. Die Analyse der Kokons aus Neutronen-Stern-Fusionen könnte den Ursprung vieler der schwersten Elemente des Universums beleuchten. "Wir wollen herausfinden, wie hoch die Häufigkeit solcher Kokon-Ereignisse und die Dynamik des chemisch angereicherten Materials ist, das Neutronenstern-Fusionen über die Geschichte des Universums hervorgebracht haben", sagte Mooley.

Er fügte hinzu, dass solche Fusionen auch der Ursprung der kosmischen Strahlung sein könnten, die aus Atomkernen besteht, die mit außerordentlich hohen Energiemengen durch den Weltraum reißen.

Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse online 20. Dezember in der Zeitschrift Nature detailliert.