Sensationeller Todestanz am Südhimmel

Erstmals haben Astronomen Gravitationswellen und Lichtsignale einer kosmischen Kollision aufgefangen. Die spektakuläre Messung läutet eine neue Ära der Astronomie ein.

Wenn Neutronensterne kollidieren, wird neben Gravitationswellen auch ein hochenergetischer Lichtblitz abgestrahlt. Foto: ESO, EPA, Keystone

Wenn Neutronensterne kollidieren, wird neben Gravitationswellen auch ein hochenergetischer Lichtblitz abgestrahlt. Foto: ESO, EPA, Keystone

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Der 17. August 2017 wird wohl vor allem wegen des brutalen Terroranschlags in Barcelona in düsterer Erinnerung bleiben. Dass an diesem Tag auch etwas Grossartiges geschehen ist, haben zunächst nur wenige Menschen mitbekommen, und sie mussten schweigen — Forschergeheimnis.

Es begann um 14.41 Uhr mitteleuropäischer Zeit: Da registrierten die beiden riesigen Detektoren in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana das Heranrollen einer Gravitationswelle. Das allein wäre fast Routine; es war ja schon das fünfte Mal, dass dieses Wackeln der Raumzeit aufgezeichnet wurde. Aber etwas war anders als bei den bisherigen Messungen, die auf Kollisionen schwarzer Löcher zurückgingen: Statt nur einen Sekundenbruchteil zu dauern, hielt das Zittern an; 5 Sekunden, 10 Sekunden, 15 Sekunden, ja hört das denn gar nicht mehr auf? Erst nach fast zwei Minuten war es vorbei.

Fast gleichzeitig schickte der Fermi-Satellit der Nasa aus 550 Kilometer Höhe einen Alarm zur Erde. Das Tele­skop hatte einen Ausbruch energie­reicher Gammastrahlung aufgefangen. Das passiert zwar rund einmal die Woche, aber normalerweise haben Astronomen keine Chance, die Quelle dieser rätselhaften Blitze genau zu bestimmen. Das Signal kam jedoch ungefähr aus der gleichen Richtung wie die Gravitationswelle. Wer da noch an einen Zufall glaubt, versteht nichts von Wahrscheinlichkeiten: Die beiden Signale mussten den gleichen Ursprung haben. Es war der Beginn einer neuen Ära der Astronomie.

Eine Kilonova

So ein neues Zeitalter wurde zwar schon öfter ausgerufen, seit man Gravitationswellen registrieren kann; die erste Messung wurde im Februar 2016 publik, in diesem Jahr gab es sogar einen Nobelpreis dafür. Konkrete Auswirkungen auf die Arbeit oder den Wissensstand der Astronomen hat das aber noch kaum gehabt. An diesem 17. August 2017 jedoch berechneten die Forscher im internationalen Ligo-Virgo-Team, das die Gravitationswellen-Detektoren betreibt, eilends den Ursprungsort der Wellen. Umgehend wurden weltweit die Betreiber der besten optischen Tele­skope alarmiert.

Rund 70 Teleskope richteten sich daraufhin auf einen Bereich im Sternbild Wasserschlange am Südhimmel. Und sie wurden fündig: Da war ein neuer, heller Punkt in der Galaxie NGC4993, nur 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt (für astronomische Verhältnisse so gut wie nebenan). Das Licht wurde rapide schwächer, für die Messung blieben nur wenige Stunden. Erste Analysen zeigten: So ein Objekt hatte man noch nie zuvor beobachtet. Es war eine Kilonova, entstanden aus der Kollision zweier Neutronensterne. Von dieser spektakulären Messung berichteten die Forscher am Montag in mehreren Artikeln, unter anderem in der Zeitschrift «Physical Review Letters».

Überreste kleinerer Sterne

Solche Neutronensterne sind so etwas wie eine Light-Version schwarzer Löcher, und nicht weniger rätselhaft als diese. Während schwarze Löcher ent­stehen, wenn sehr massereiche Sterne kollabieren, sind Neutronensterne die Überreste kleinerer Sterne. Wenn deren Brennstoff verbraucht ist, stürzen sie in sich zusammen. Unter unvorstellbarem Druck verschmelzen Elektronen und Protonen. Es kommt zu einer gewaltigen Explosion. Übrig bleibt ein extrem komprimiertes Objekt, das fast nur noch aus Neutronen besteht — der Neutronenstern.

Anders als bei schwarzen Löchern ist ihre Masse nicht auf einem Punkt konzentriert, aber beinahe: Ein Teelöffel Neutronenstern hat eine Masse von ungefähr einer Milliarde Tonnen. Trotz ihres winzigen Durchmessers von wenigen Dutzend Kilometern bringen es Neutronensterne auf ein bis zwei Sonnenmassen.

Bei der Kollision wird massenhaft Materie nach draussen geschleudert.

Das ist indes lächerlich wenig im Vergleich zu schwarzen Löchern. Wenn zwei solcher Giganten zusammenkrachen, gibt es ein kurzes, heftiges Gravitationswellen-Signal. Neutronensterne jedoch führen einen subtilen Todestanz auf: Sie können einander sehr nahe kommen, und aus den Gravitationswellen lässt sich ablesen, wie sie immer schneller umeinander kreisen, bis sie schliesslich verschmelzen — darum dauerte die Messung im August so lange. Bei der Kollision wird massenhaft Materie nach draussen geschleudert. Kernreaktionen finden statt, in denen Elemente entstehen, die schwerer sind als Eisen, Gold, Platin oder Blei. Dieses heisse Material verteilt sich dann im All und sendet Licht aus. Dabei entstehen auch die Gammastrahlen-Blitze.

So entsteht Gold: Wissenschaftler weisen Kollision zweier Neutronensterne nach. Video: Tamedia/AP

Bislang hatte jedoch niemand so etwas je beobachtet. Erst jetzt ist klar, dass solche Ereignisse tatsächlich eine Quelle von Gammablitzen und schweren Elementen sind. Und die Messung erlaubt erstmals, Neutronensterne näher zu untersuchen. Ohne die Gravitationswellen wäre man niemals rechtzeitig auf das Ereignis aufmerksam geworden — daher jubeln Astronomen nun so.

Grosses Glück

«Mit den bisherigen Teleskopen haben wir sozusagen nur sehen können, aber der grösste Teil des Weltalls ist dunkel», sagt Karsten Danzmann vom Albert-Einstein-Institut in Hannover, dessen Team an der Messung beteiligt war. «Mit Gravitationswellen-Detektoren können wir nun auch hören.» Dass eine solche Messung so schnell gelingen würde, hätten er und seine Kollegen nie zu hoffen gewagt: «Wir haben grosses Glück gehabt, dass die Kollision fast zum Anfassen nahe war, sonst wäre das Signal zu schwach gewesen.»

Künftig jedoch könnten solche gleichzeitigen Messungen häufiger vorkommen: Derzeit werden die Detektoren optimiert, dafür bleiben sie rund ein Jahr lang abgeschaltet. Danach sollen sie ihre Empfindlichkeit verdoppeln, das vergrössert den Messbereich drastisch. Aber auch während der Ruhepause könnte es weitere Erfolgsmeldungen geben, noch werten die Forscher weitere verdächtige Daten aus. Gravitationswellen sind in der Praxis angekommen, und sie werden die Astronomie für immer verändern.

Erstellt: 16.10.2017, 20:20 Uhr

Gravitationswellen

Schweizer unter den Entdeckern

An den aktuellen Studien zu kollidierenden Neutronensternen, davon ausgelösten Gravitationswellen und damit assoziierten Lichtblitzen war die Schweiz in mehrfacher Hinsicht beteiligt. So hat Maria Haney vom Physikinstitut der Universität Zürich an der Analyse der Daten des Gravitationswellen-Observatoriums Ligo mitgewirkt.

Nachdem die Ligo-Detektoren in den USA und Virgo in Italien die Gravitationswellen am 17. August 2017 regis–­triert hatten, wurde in der entsprechenden Himmelsrichtung auch nach optischen Signalen gesucht, und zwar nach elektromagnetischen Wellen höchster Energie, sogenannten Gammastrahlen.

Dazu kam unter anderem der Satellit Integral der Europäischen Weltraumagentur (Esa) zum Einsatz. Die Daten von Integral wurden am ISDC Data Centre for Astrophysics der Universität Genf analysiert. «Auch wenn es ein schwaches Signal war», sagt Carlo Ferrigno, Astrophysiker und Leiter des ISDC, «war das Signal eines Gammastrahlenausbruchs definitiv vorhanden.» Ebenfalls an der Datenanalyse beteiligt war Volodymyr Savchenko vom ISDC, ein Spezialist für Gammastrahlenausbrüche.

Generell ist die Schweiz stark in die Erforschung der Gravitationswellen involviert. So waren die Forscherteams um Philippe Jetzer von der Universität Zürich und um Domenico Giardini von der ETH Zürich an der Raumsonde Lisa Pathfinder beteiligt. Die Anfang Dezember 2015 ins All gestartete Sonde hatte die Aufgabe, den nächsten revolutionären Schritt bei der Suche nach Gravitationswellen vorzubereiten: Die Laser Interferometer Space Antenna (Lisa) der Esa soll vom Weltall aus nach jenen Gravitationswellen suchen, die sich von der Erde aus nicht beobachten lassen.

Lisa soll 2034 starten

Drei Satelliten werden bei Lisa ein Dreieck mit rund 2,5 Millionen Kilometer Seitenlänge bilden, um mit sogenannten Laserinterferometern Gravitationswellen nachzuweisen. Giardini entwickelt einen Teil der Lisa-Detektoren. Die Gruppe um Jetzer berechnet die Form der erwarteten Gravitationswellen.

Und das Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique in Neuenburg wirkt an der Entwicklung der Laser mit. Dank dem Erfolg von Lisa Pathfinder hat die Esa im Juni 2017 Lisa offiziell als Large-class-Mission ins Wissenschaftsprogramm aufgenommen. Der Start der Gravitationswellen-Antenne ist derzeit für das Jahr 2034 vorgesehen. (jol)

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