Es waren ein paar arbeitsreiche Wochen für LIGO und Virgo. Die beiden Interferometer-Observatorien gaben nicht nur eine vierte Entdeckung von Gravitationswellen bekannt, drei ihrer Wissenschaftler gewannen für ihre Bemühungen einen Nobelpreis für Physik.
Auf einer Pressekonferenz in Washington haben die Teams LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) und Virgo zusammen mit Forschern aus 70 Organisationen ihre neueste „beispiellose Entdeckung“ in Form einer neuen Quelle für Gravitationswellen und eines astronomischen Objekts bekannt gegeben „Kilonova“ genannt – die kosmische Explosion zweier kollidierender Neutronensterne.
Die Kilonova wurde mithilfe eines Ausbruchs von Gravitationswellen entdeckt, der am 17. August 2017 entdeckt wurde. Nach der Entdeckung durch die Observatorien LIGO und Virgo in Kalifornien und Italien begannen Astronomen, Teleskope auf die mögliche Quelle zu richten und fanden das Objekt in einer nahe gelegenen Galaxie namens NGC4993, 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.
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Dies ist das erste Mal, dass Gravitationswellen nach der Kollision von Neutronensternen nachgewiesen wurden, und gibt einen beispiellosen Einblick in unser Verständnis der Urknalltheorie, des Universums und sogar der 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 nach einer neuen Quelle abzusuchen.“
Der Dark Energy Survey (DES) ist eine internationale Anstrengung, Hunderte von Millionen Galaxien zu kartieren, Supernovae zu entdecken und die mysteriöse dunkle Energie zu finden, die angeblich die Expansion unseres Universums antreibt.
(Quelle:„Neutron Star Merge and the Gravity Waves it Produces“, NASA Goddard Space Flight Center)
Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie sollte die Gravitation zu einer Verlangsamung der kosmischen Expansion führen. Doch Astronomen fanden 1998 heraus, dass sich die Expansion des Universums stattdessen beschleunigt. Es gibt zwei mögliche Erklärungen – entweder existieren 70 % des Universums in einer „exotischen Form“, die als dunkle Energie bezeichnet wird und sich daran erkennen lässt, wie ihre Gravitationskraft sichtbare Objekte beeinflusst, oder die Allgemeine Relativitätstheorie ist falsch und muss durch eine ersetzt werden neue Gravitationstheorie.
Neutronensterne und die Kilonova
Gerüchte über Gravitationswellen, die von einer neuen Quelle entdeckt wurden, nämlich Neutronensternen, begannen vor der Ankündigung im letzten Monat zu kreisen.
Neutronensterne entstehen, wenn die Kerne von Riesensternen (10–29 Sonnenmassen) kollabieren und die Protonen und Elektronen der Masse zu Neutronen verschmelzen. Im Gegensatz zu Gravitationswellen, die von Kollisionen mit Schwarzen Löchern getragen werden, erzeugt die Verschmelzung von Neutronensternen sichtbares Licht, was Wissenschaftlern wiederum eine beispiellose Beobachtungskapazität verleiht.
Eine Kilonova wird seit vielen Jahren als Verschmelzung von Neutronensternen theoretisiert, aber dies ist das erste Mal, dass ein solches Ereignis beobachtet wurde.
Unmittelbar nach der Entdeckung untersuchten Astronomen das Kilonova-Ereignis aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum von Gammastrahlen bis zu Radiowellen. Die Gravitationswellenquelle wurde GW170817 genannt, und die optische Quelle wurde Swope Supernova Survey 2017a (SSS17a) genannt. Innerhalb einer Woche war die Quelle verblasst und im sichtbaren Licht nicht mehr zu sehen, aber während sie sichtbar war, konnten Astronomen einen Schatz an Daten über dieses Phänomen sammeln. Der ICG-Forscher Chris Frohmaier war Teil eines Teams unter der Leitung von Caltech und Berkeley, das die Rate und Lichtkurven dieser Kilonova wissen wollte, insbesondere, wie viele wir im lokalen Universum erwarten, und wie sich die Explosion im Laufe der Zeit verändert hat.
Ihre Arbeit wurde heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht führte zu einer unerwarteten Lösung für ein seit langem bestehendes Problem; Kilonovae könnten die Quelle der Hälfte der schweren Elemente im Universum sein. Zu diesen Erkenntnissen wurden insgesamt sieben Artikel veröffentlicht.
Jagd nach den fehlenden Elementen des Universums
Die gewaltsame Verschmelzung zweier Neutronensterne umfasst vermutlich drei Hauptenergieübertragungsprozesse, die in diesem Diagramm dargestellt sind
Es ist allgemein bekannt, dass chemische Elemente bis hin zum Eisen im Periodensystem entweder beim Urknall, in den Kernen von Sternen oder bei Supernova-Explosionen entstehen. Der Ursprung der Hälfte der Elemente, die schwerer als Eisen sind, darunter Gold, Platin und Uran, ist jedoch ein Rätsel geblieben.
„Jemand im Team bemerkte, dass man, wenn man die Rate der erwarteten Kilonova-Ereignisse mit der Ausbeute an schweren Elementen wie Uran, Gold und Platin pro Explosion multipliziert, eine ziemlich große Zahl erhält, die im Grunde ausreicht, um die Hälfte der Häufigkeit solcher Elemente zu erklären im Universum“, erklärt Frohmaier.
Ein Team der UC Santa Cruz fand SSS17a, indem es ein neues Bild der Galaxie N4993 (rechts) mit Bildern verglich, die vier Monate zuvor vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden (links). Die Pfeile zeigen an, wo SSS17a auf dem Hubble-Bild fehlte und auf dem neuen Bild des Swope-Teleskops sichtbar war
„Das ist einer dieser Heureka-Momente“, ergänzt Frohmaier. „Es ist fantastisch, wenn so unterschiedliche Bereiche der Astronomie einfach zusammenkommen. Ich habe angefangen, die Kilonova-Raten zu studieren, und wir haben die Hälfte des Goldes im Universum gefunden!“
Die Entdeckung der Kilonova und die Tatsache, dass Gravitationswellen Astronomen zu solchen Ereignissen führen können, öffnet ein neues Fenster zum Universum. Die kombinierte Beobachtungsstärke von LIGO+Virgo und anderen Teleskopen wird es Astronomen ermöglichen, weitere seltsame Phänomene zu entdecken und verbleibende Rätsel des Universums zu lösen.
„Die Pressekonferenz begann mit einem Überblick über die neuesten Erkenntnisse von LIGO, Virgo und Partnern auf der ganzen Welt, gefolgt von Details von Teleskopen, die mit den Kooperationen von LIGO und Virgo zusammenarbeiten, um extreme Ereignisse im Kosmos zu untersuchen. Zu den Rednern auf dem Podium gehörten der Geschäftsführer von LIGO, David Reitze, die Wissenschaftlerin des Fermi-Projekts am Goddard Space Flight Center der NASA, Julie McEnery, und die Sprecherin der Virgo Collaboration, Jo van den Brand.
Was sind Gravitationswellen?
Gravitationswellen treten in unendlich kleinem Maßstab auf, wenn Gravitationswechselwirkungen auftreten, aber am einfachsten zu erkennen sind explosive Zusammenstöße im Universum. Bisher wurde dies vor allem beim Zusammenstoß von Schwarzen Löchern beobachtet. Die Wellen sind im Wesentlichen großräumige Wellen in der Raumzeit, und sie bieten uns eine völlig andere Art, das Universum wahrzunehmen.
Sie wurden erstmals 1905 von Albert Einstein vorhergesagt und sind Teil seiner ein Jahr später veröffentlichten Theorie der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Theorie wurde verwendet, um zu erklären, wie sich Objekte in Raum und Zeit verhalten, und wurde verwendet, um die Existenz von Schwarzen Löchern, Gravitationslinsen und sogar die Umlaufbahn von Merkur vorherzusagen.
Wenn es um Gravitationswellen geht, behaupten Einsteins Theorien, dass „die mächtigsten Prozesse“ im Universum Wellen in der Krümmung der Raumzeit erzeugen können, die sich von der Quelle, die sie erzeugt hat, nach außen ausbreiten, und diese Wellen bewegen sich mit der Geschwindigkeit durch das Universum Licht.
Wann wurden erstmals Gravitationswellen entdeckt?
Gravitationswellen wurden erstmals im September 2015 in von LIGO analysierten Daten entdeckt; Diese Weltraumwellen wurden erzeugt, als vor 1,3 Milliarden Jahren zwei Schwarze Löcher kollidierten. Es dauerte dann sechs Monate, bis die Forscher, die mit LIGO zusammenarbeiten, bestätigten, dass sie diese Gravitationswellen entdeckt hatten, und die bahnbrechende Ankündigung erfolgte im Februar 2016. Ein zweiter Wellensatz wurde im Juni desselben Jahres bestätigt.
Die ersten Wellen waren das Ergebnis von zwei Schwarzen Löchern mit der 36- und 29-fachen Masse unserer Sonne, die aufeinanderprallten und ein sich drehendes Schwarzes Loch mit der 21-fachen Masse unserer Sonne erzeugten. Die zweite Gruppe von Wellen entstand, als zwei Schwarze Löcher kollidierten, diesmal mit der acht- und 14-fachen Masse unserer Sonne.
Seit diesen ersten Erkenntnissen haben Wissenschaftler zwei weitere Gravitationswellenereignisse entdeckt, die beide in ähnlicher Weise durch Kollisionen von Schwarzen Löchern verursacht wurden.
Was ist LIGO?
An der Detektion von 2015 und den nachfolgenden Veröffentlichungen von 2016 waren mehr als 90 Institutionen in 15 Ländern beteiligt, darunter das MIT und Caltech, die mit LIGO-Daten arbeiten, und ihre Interferometer sind auf zwei Standorte in den USA, in Washington und Louisiana, verteilt.
LIGO ist im Wesentlichen ein groß angelegtes Physikexperiment, bei dem Astrophysiker zusammenkommen, um Gravitationswellen zu überwachen und zu beobachten. Es wird vom National Science Fund (NSF) finanziert und gilt als das größte und ehrgeizigste Projekt, das von der Einrichtung finanziert wird.
Das Advanced LIGO-Projekt, das kurz nach den ersten Detektionen im Oktober 2015 begann, verfügt über ein Interferometer mit zwei 2,5 Meilen langen „Armen“. Laserstrahlen werden über diese Arme geführt und treffen an jedem Ende auf Spiegel. Änderungen in der Art und Weise, wie sich diese Strahlen entlang dieser Arme bewegen, erzeugen Muster, die auf das Vorhandensein von Gravitationswellen hindeuten, während Änderungen in diesen Mustern auf verschiedene Arten von Gravitationswellenquellen hindeuten können.
Bei der jüngsten, vierten Entdeckung (im letzten Monat angekündigt) wurde das Signal von den beiden fortschrittlichen LIGO-Sensoren in den USA und zum ersten Mal vom Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa, Italien, entdeckt.
Virgo ist nicht so empfindlich wie LIGO, aber die Kombination aller drei vergrößerte die Präzision um den Faktor 10. Virgo wurde 2003 fertiggestellt. Es verfügt über ein 300 Millionen Euro teures Interferometer mit 2 Meilen langen Armen und wurde vom French National finanziert Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und das Italienische Nationale Institut für Kernphysik (INFN).
Forscher der LIGO- und Virgo-Projekte schlossen sich 2007 einem Datenaustauschabkommen an, und im August trat Virgo LIGO bei der Suche nach Gravitationswellen bei.
Warum sollte es mich interessieren?
Nach der ersten Entdeckung im vergangenen Jahr haben wir eine Liste mit sechs Gründen zusammengestellt, warum Sie sich für Gravitationswellen begeistern sollten. Und das sollten Sie wirklich. Aber die Astrophysikerin Katie Mack fasst die Bedeutung dieser neuesten Entdeckung viel prägnanter zusammen, als wir es können:
Bilder:Murguia-Berthier et al., Science/Hubble/UC Santa Cruz &Carnegie Observatories/Ryan Foley