Es waren aufregende Wochen für die LIGO- und Virgo-Observatorien. Neben der vierten Entdeckung von Gravitationswellen erhielten drei ihrer Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik.
Auf einer Pressekonferenz in Washington präsentierten Teams von LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) und Virgo sowie Forscher aus 70 Organisationen ihre bahnbrechende Entdeckung: eine neue Quelle für Gravitationswellen in Form einer "Kilonova" – der kosmischen Explosion zweier kollidierender Neutronensterne.
Die Kilonova wurde durch einen Gravitationswellen-Ausbruch am 17. August 2017 entdeckt. Nach der Meldung von LIGO in Kalifornien und Virgo in Italien richteten Astronomen Teleskope auf die Quelle und lokalisieren das Objekt in der Galaxie NGC 4993, 130 Millionen Lichtjahre entfernt.
Siehe die sechs Gründe, warum Gravitationswellen so faszinierend sind.
Dies ist der erste Nachweis von Gravitationswellen aus einer Neutronenstern-Kollision und revolutioniert unser Verständnis von Urknall, Universum und Schwerkraft.
"Es wird für einen Astronomen nicht aufregender als dies", sagte Bob Nichol, Direktor des Institute of Cosmology and Gravitation (ICG) an der University of Portsmouth und Mitglied des Dark Energy Survey (DES). "Bei Sonnenuntergang war das DES-Team bereit, die Position der Gravitationswellen abzusuchen."
Der Dark Energy Survey (DES) kartiert Hunderte Millionen Galaxien, entdeckt Supernovae und untersucht die dunkle Energie, die die Expansion des Universums antreibt.
(Quelle: „Neutron Star Merge and the Gravity Waves it Produces“, NASA Goddard Space Flight Center)
Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie sollte Gravitation die kosmische Expansion verlangsamen. Doch 1998 entdeckten Astronomen eine Beschleunigung. Erklärungen: Dunkle Energie (70 % des Universums) oder eine neue Gravitationstheorie.
Neutronensterne und die Kilonova
Gerüchte über Gravitationswellen von Neutronenstern-Kollisionen kursierten bereits vor der Ankündigung.
Neutronensterne entstehen durch Kollaps massereicher Sterne (10–29 Sonnenmassen), bei dem Protonen und Elektronen zu Neutronen verschmelzen. Im Gegensatz zu Schwarzen-Löchern-Kollisionen erzeugen sie sichtbares Licht für umfassende Beobachtungen.
Die Kilonova war theoretisch vorgesehen, nun erstmals beobachtet. Astronomen untersuchten GW170817 (Gravitationswelle) und SSS17a (optische Quelle) über das gesamte elektromagnetische Spektrum. Innerhalb einer Woche verblasste sie, doch lieferte reichhaltige Daten. ICG-Forscher Chris Frohmaier analysierte Raten und Lichtkurven; Ergebnisse in Science veröffentlicht – sieben Papers insgesamt.
Jagd nach den fehlenden Elementen des Universums
Die gewaltsame Verschmelzung zweier Neutronensterne umfasst vermutlich drei Hauptenergieübertragungsprozesse, wie in diesem Diagramm dargestellt.
Elemente bis Eisen entstehen im Urknall, Sternen oder Supernovae. Schwere Elemente wie Gold, Platin und Uran waren rätselhaft.
"Wenn man die Rate erwarteter Kilonovae mit der Ausbeute an schweren Elementen multipliziert, erklärt das die Hälfte ihrer Häufigkeit", erläutert Frohmaier.
Ein Team der UC Santa Cruz fand SSS17a, indem es ein neues Bild der Galaxie NGC 4993 (rechts) mit Hubble-Aufnahmen (links) verglich. Pfeile markieren die neue Quelle.
"Ein Heureka-Moment! Wir haben die Hälfte des Goldes im Universum gefunden!", freut sich Frohmaier.
Die Entdeckung öffnet neue Fenster zum Kosmos. LIGO+Virgo mit Teleskopen werden weitere Rätsel lösen. Redner: LIGO-Geschäftsführer David Reitze, NASA-Wissenschaftlerin Julie McEnery, Virgo-Sprecherin Jo van den Brand.
Was sind Gravitationswellen?
Gravitationswellen entstehen bei massiven kosmischen Ereignissen wie Schwarzen-Löchern- oder Neutronenstern-Kollisionen. Sie sind Verzerrungen der Raumzeit, die mit Lichtgeschwindigkeit reisen und Einsteins Vorhersagen bestätigen.
Einstein prognostizierte sie 1915/1916 in seiner Relativitätstheorie, die Schwarze Löcher, Gravitationslinsen und Merkurs Bahn erklärt.
Erste Entdeckung von Gravitationswellen
Erstmals September 2015 in LIGO-Daten: Kollision zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren (36+29 Sonnenmassen → 21 Sonnenmassen). Bestätigung Februar 2016, zweite im Juni 2016 (8+14 Sonnenmassen). Drei weitere folgten.
Was ist LIGO?
Über 90 Institutionen aus 15 Ländern, geleitet von MIT/Caltech. Zwei US-Standorte (Washington, Louisiana). Advanced LIGO: 4 km lange Arme mit Lasern und Spiegeln zur Detektion winziger Verzerrungen.
Vierte Detektion mit LIGO und Virgo (Pisa, Italien; 3 km Arme, sensibler durch Triangulation).
LIGO/Virgo kooperieren seit 2007.
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Gravitationswellen eröffnen multimessenger-Astronomie. Astrophysikerin Katie Mack betont ihre Bedeutung für unser Universumsverständnis.
Bilder: Murguia-Berthier et al., Science/Hubble/UC Santa Cruz & Carnegie Observatories/Ryan Foley