Neutron-Star Collision enth├╝llt Herkunft von Gold, sagen Astronomen

Ein internationales Team von Astronomen entdeckte die ersten Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen und fand heraus, dass sie die Quelle der schweren Elemente des Universums sind, einschließlich Gold und Platin.

"Dies ist eine Quelle, von der wir immer dachten, dass wir sie sehen würden", sagte David Reitze, leitender Direktor des LIGO-Observatoriums, das die kosmischen Wellen, Gravitationswellen genannt, auf einer Pressekonferenz gestern (16. Oktober) entdeckte. Stellare Leichen, die man Neutronensternpaare nannte, waren vorher vorhergesagt worden. "Was als nächstes kam, war die Emission von Licht über das elektromagnetische Spektrum, die uns durch eine Kampagne mit 70 Observatorien, einschließlich sieben weltraumgestützten Observatorien und jedem Kontinent auf der Planetenoberfläche, offenbart wurde."

Gravitationswellen sind eine Folge von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die besagt, dass die Gravitation eine Krümmung in der Raumzeit und nicht eine Kraft ist. Wenn man sich ein Objekt (einen Planeten, einen Stern oder sogar eine Person) vorstellt, das sich durch den Raum bewegt, bewegt sich die Krümmung und erzeugt Gravitationswellen wie die Kielwelle eines Bootes. Nur wirklich massive Objekte, wie Neutronensterne und Schwarze Löcher, erzeugen Wellen, die nachweisbar sind. [Die 18 größten ungelösten Mysterien in der Physik]

Neutronensterne sind die Leichen von Sternen, die massereicher als unsere Sonne sind. Ein Neutronenstern ist nur 12-15 Meilen (etwa 20-25 Kilometer) breit und voller Neutronen und ist so dicht, dass ein Kubikzentimeter eine Million Tonnen wiegt.

Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, gibt es zwei Konsequenzen, die Theoretiker vorhergesagt haben: Die Sterne würden die Elemente erzeugen, die schwerer als Nickel und Eisen auf dem Periodensystem sind, und Gravitationswellen emittieren, wenn sie sich nach innen drehen. Diese kosmischen Wellen in der Raum-Zeit würden Energie von den schnell umkreisenden Sternen wegnehmen, und schließlich würden die Neutronensterne kollidieren und verschmelzen. Die Kollisionen würden die Quelle von Elementen wie Platin, Uran und Gold sein. Der Trick bestand darin, ein Paar Neutronensterne zu fangen.

Hier kamen das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) in den USA und das Virgo-Interferometer in Italien ins Spiel. Nachdem LIGO die Gravitationswellen entdeckt hatte, konnten Astronomen ihre Teleskope im Weltraum und am Boden in die Region drehen, die diese Wellen schienen herkommen und die Quelle lokalisieren. Das waren die beiden Neutronensterne, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt in einer elliptischen Galaxie namens NGC 4993 im Sternbild Hydra zu finden sind. Die Gravitationswellenquelle wurde als GW170817 bezeichnet, benannt nach dem Datum, an dem sie auftrat (17. August 2017).

Neutronensternkollisionen würden "einen hochradioaktiven Feuerball" bilden, sagte Nial Tanvir von der Leicester University in Großbritannien, der das Beobachtungsteam leitete, das die ersten Infrarotbeobachtungen von GW170817 nach der Gravitationswellendetektion vornahm. Die Theorie, sagte er, sei, dass in der Gewalt der Neutronen-Stern-Kollision schwerere Elemente, die sich als subatomare Teilchen bilden, zusammengeschlagen werden. Das Team sah, dass die Spektren des Infrarotlichts der Neutronensterne schwere Elemente enthüllten und dass viel Material freigesetzt wurde.

"Was mit diesem ausgestoßenen Material passiert, ist, dass es sich mit anderen Gasen in der Galaxie vermischt", sagte Tanvir.

Die Entdeckung war ein wichtiger Schritt, um den Ursprung von schweren, neutronenreichen Elementen im Universum herauszufinden - und die, die wir auf der Erde finden. Supernovas wurden einst gedacht, um solche Elemente zu schaffen, aber der Prozess war nicht effizient genug, sagte Marcelle Soares-Santos, Assistant Professor für Physik an der Brandeis University in Massachusetts. Der Anteil der schweren Elemente in der Erde schien zu groß zu sein, um auf die von Supernovae erzeugten Mengen zurückzuführen zu sein, sagte sie. [Die geheimnisvolle Physik von 7 alltäglichen Dingen]

Soares-Santos ist Hauptautor der Studie, die die ersten optischen Beobachtungen von GW170817 skizziert. Wissenschaftler hatten Neutronen-Sterne-Kollisionen bereits als gute Kandidaten für die Entstehung einiger Schwermetalle des Universums betrachtet, aber es war nicht klar, wie oft solche Zertrümmerungen auftreten und wie viel Material sie in den interstellaren Raum werfen.

Harvard-Astronom Edo Berger, ein Co-Autor der Studie von Soares-Santos, sagte, es gibt jetzt eine Antwort auf die letzte Frage: etwa 16.000 Erdmassen, ein winziger Bruchteil der Gesamtmasse der beiden Neutronensterne. "Es gibt ungefähr 10 Mal die Erdmasse in Gold und Platin allein", sagte er. (Gold macht insgesamt etwa ein Millionstel der Erdmasse aus, und das meiste davon befindet sich im Kern des Planeten). Alle diese schweren Elemente werden Teil des interstellaren Mediums und schließlich kommt eine Fraktion als Teil neuer Planeten.

Berger sagte, die neuen Daten bedeuteten nicht, dass Supernovae keine schwereren Elemente bilden, sondern dass Neutronensterne zumindest für einen großen Teil davon verantwortlich zu sein scheinen. "Mit diesem Neutronensternkanal müssen wir uns nicht auf Supernovae verlassen", sagte er.

Tanvir sagte, die Bildung von Elementen sei in einem gewissen Sinne ein wohlverstandener Prozess. "Wir wissen, dass, wenn die Bedingungen stimmen, dies passieren kann", sagte er. Diese Beobachtung zeigte, dass Neutronensterne diese Bedingungen zu haben scheinen, fügte er hinzu.

Es gibt noch offene Fragen, sagte Berger. "Wir wissen nicht, ob dies ein typisches Ereignis ist oder ob andere in der Zukunft mehr oder weniger von diesem Material produzieren werden", sagte er. Es gibt Schätzungen, wie viele solcher Doppelsterne sich im Universum befinden und wie viel Materie die Neutronensterne verstreut haben. "Es scheint, dass wir alle schweren Elemente hinter dem Eisen erklären können." Das schließt die schweren Elemente ein, die wir auf der Erde sehen, die aus demselben Prozess stammen würden, bevor sie in dem Nebel aufgenommen werden, der unser Sonnensystem gebildet hat.

Sobald diese Elemente in der Nachbarschaft vorhanden wären, wären sie zu Asteroiden verschmolzen, die die Erde bombardierten, als sie sich bildete, und sie an uns ablieferte.Die schweren Elemente, die vor 130 Millionen Jahren von diesem Neutronensternpaar ausgestoßen wurden, könnten schließlich auch in neuen Planeten enden.

Die Tatsache, dass Wissenschaftler sowohl Gravitationswellen als auch Licht nutzen könnten, um ein Objekt in 130 Millionen Lichtjahren Entfernung zu charakterisieren, wird eine neue Art von Astronomie bedeuten, sagte Laura Cadonati, stellvertretende Sprecherin der wissenschaftlichen Zusammenarbeit von LIGO. "Es ist wie der Übergang vom Betrachten eines Schwarz-Weiß-Bildes eines Vulkans zum Sitzen in einem 3D-IMAX-Film, der die Explosion des Vesuvs zeigt."

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