Das Rätsel der sphärischen Kilonova

Kilonovae sind gigantische Explosionen, die entstehen, wenn zwei Neutronen­sterne einander umkreisen und schließlich miteinander kollidieren. Die dabei auftretenden extremen physikalischen Bedingungen sind für die Entstehung schwerer Elemente verantwortlich. Außerdem erzeugen Kilonovae Licht, so dass man diese Explosionen auch noch in kosmischen Entfernungen mit Teleskopen beobachten kann. Das Überraschende: Die Explosionen haben – anders als bis vor kurzem angenommen – die Form einer nahezu perfekten Kugel hat. Wie das möglich ist, ist zwar immer noch ein Rätsel, aber die Entdeckung könnte einen neuen Schlüssel zur Messung des Alters des Universums liefern.

Es gibt noch viel, was über Kilonovae nicht bekannt ist. Eine der offenen Frage betrifft die geometrische Form von Kilonovae, also die Ausbreitungs­geschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen. Dieses Problems hat ein internationale Forschungsteam bei einer 2017 in 140 Millionen Lichtjahren Entfernung entdeckten Kilonova untersucht. Die Forscher haben die Geschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen analysiert: entlang der Sichtlinie – also die Geschwindigkeit des Materials, das sich in Richtung unserer Erde bewegt – und senkrecht dazu.

Entlang der Sichtlinie machen sich die Forscher den Dopplereffekt zunutze: Aus den Spektral­linien lässt sich die Geschwindigkeit ablesen. Die Geschwindigkeit senkrecht zur Beobachtungs­linie ergibt sich aus der Größe der strahlenden Fläche, die sich aus Helligkeit und Farbe der Kilonova ableiten lässt.

Das überraschende Ergebnis dieser Analyse: Die Explosion breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus. Die Kilonova hat die Form einer Kugel. „Man hat zwei super­kompakte Sterne, die sich hundert Mal pro Sekunde umkreisen, bevor sie kollabieren. Unsere Intuition und die meisten der bisherigen Modelle besagen, dass die bei der Kollision entstehende Explosions­wolke aufgrund des enormen Drehimpulses im System eine eher asymmetrische Form haben muss“, sagt Albert Sneppen vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen.

Mithilfe von Simulationen der Explosion konnte das Team zeigen, dass es selbst unter recht spekulativen Annahmen keinen Mechanismus gibt, der zwangsläufig zu einer sphärischen Explosion führen muss, wenngleich einige Simulationen recht gut zu der Beobachtung passen. „Eine Möglichkeit könnte daher auch sein, dass es sich um eine pure Koinzidenz handelt. Spannend ist die Beobachtung auf alle Fälle, denn sie hilft Modelle der Kilonova-Explosion besser zu verstehen und damit auch Details der Element­entstehung in diesen Ereignissen“, sagt Oliver Just vom GSI Helmholtz­zentrum für Schwerionen­forschung.

Die Form der Explosion ist auch aus einem anderen Grund interessant. „Unter Astro­physikern wird viel darüber diskutiert, wie schnell das Universum expandiert. Die Geschwindigkeit sagt uns unter anderem, wie alt das Universum ist. Und die beiden hauptsächlich benutzten Methoden, die es gibt, um dies zu messen, weichen um etwa eine Milliarde Jahre voneinander ab. Hier haben wir vielleicht eine dritte Methode, die die anderen Messungen ergänzt und mit ihnen verglichen werden kann“, sagt Sneppen.

Wenn sie tatsächlich kugelförmig sind, könnten Kilonovae eine neue Möglichkeit bieten, um kosmische Entfernungen unabhängig zu messen. Die Form ist dabei entscheidend: Wenn ein Objekt nicht kugelförmig ist, strahlt es je nach Blickwinkel anders. Eine kugelförmige Explosion ermöglicht daher eine viel genauere Messung.

GSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Sneppen et al.: Spherical symmetry in the kilonova AT2017gfo/GW170817, Nature 614, 436 (2023); DOI: 10.1038/s41586-022-05616-x
• Nuclear Astrophysics and Structure, GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung, Darmstadt
• Niels Bohr Institute, Universität Kopenhagen, Dänemark