01.03.2022

Schallknall einer Kilonova

Kollidierende Neutronensterne senden Gravitationswellen und elektromagnetische Strahlung aus.

Ein internationales Forschungsteam hat möglicher­weise den Schallknall einer Kilonova entdeckt. So bezeichnet man die gewaltige Explosion, die entsteht, wenn zwei Neutronensterne miteinander kolli­dieren. Die Kilonova GW170817 im Sternbild Hydra ist das erste Objekt überhaupt, bei dem sowohl Gravitations­wellen als auch elektro­magnetische Strahlung gemessen werden konnten. Seinen Namen trägt GW170817, weil es am 17. August 2017 entdeckt wurde: Die Laser-Interferometer Ligo in den USA und Virgo in Italien haben an diesem Tag die Gravitations­wellen registriert, die mit einem Ausbruch von Gammastrahlen zusammenfielen.

Abb.: Illustration einer Kilonova, die nach der Verschmelzung von...
Abb.: Illustration einer Kilonova, die nach der Verschmelzung von Neutronen­sternen auftritt. (Bild: M. Weiss, CfA)

Seitdem haben Astronomen Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum auf GW170817 gerichtet und untersuchen seine Strahlung im gesamten elektro­magnetischen Spektrum. Chandra ist dabei das einzige Obser­vatorium, das mehr als vier Jahre nach dem Ereignis immer noch Strahlung registrieren kann, die von dieser außer­gewöhnlichen kosmischen Kollision stammt. „Die unmittelbaren Folgen einer Neutronen­stern­verschmelzung untersuchen zu können, ist absolutes Neuland“, sagt Aprajita Hajela von der Northwestern University, die die aktuelle Studie von GW170817 mit Chandra geleitet hat.

Bisher gehen Astronomen davon aus, dass nach der Verschmelzung von Neutronen­sternen deren Trümmer sichtbares und infra­rotes Licht abstrahlen, das beim Zerfall radioaktiver Elemente entsteht. Dieser Lichtausbruch wird als Kilonova bezeichnet. Im Fall von GW170817 konnten tatsächlich auch sichtbares Licht und Infrarot­strahlung mehrere Stunden nach den Gravitations­wellen entdeckt werden. Im Röntgen­spektrum sah die Neutronenstern­verschmelzung allerdings ganz anders aus: Unmittelbar nach der Entdeckung von GW170817 richtete Chandra seinen Blick auf das Objekt und registrierte – nichts. Erst mehrere Tage später, am 26. August 2017, konnte Chandra GW170817 als punktförmige Röntgen­strahlungs­quelle ausmachen. 

Diesen Umstand erklären die Forschenden damit, dass die verschmolzenen Neutronen­sterne einen schmalen Jet aus hoch­energetischen Teilchen abstrahlen, der nicht direkt auf die Erde ausgerichtet ist. Sie vermuten, dass Chandra den schmalen Jet ursprünglich von der Seite beobachtete und daher unmittelbar nach der Entdeckung der Gravitations­wellen noch keine Röntgen­strahlen sah. Im Laufe der Zeit verlangsamte sich jedoch das abgestrahlte Material und der Jet-Kegel verbreiterte sich, da er auf umgebende Materie prallte. Dies führte dazu, dass sich der Kegel des Jets immer mehr in die direkte Sichtlinie von Chandra ausdehnte und so die Röntgen­strahlung gemessen werden konnte. 

Seit Anfang 2018 wurde die von dem Jet verursachte Röntgen­strahlung immer schwächer, da sich der Jet weiter verlangsamte und ausdehnte. Hajela und ihr Team stellten dann jedoch fest, dass der Helligkeits­rückgang ab März 2020 bis Ende 2020 stoppte und die Strahlung in diesem Zeitraum konstant blieb. „Etwas anderes als der Jet selbst muss dafür verant­wortlich sein", sagt Raffaella Margutti von der University of California in Berkeley. Eine mögliche Erklärung für diese neue Röntgenstrahlungs­quelle war, dass die sich ausdehnenden Trümmer der Verschmelzung einen Schock erzeugt haben, ähnlich dem Überschall­knall eines Überschall­flugzeugs. Dieser Schock erhitzt Material, das selbst Strahlung erzeugt und als Kilonova-Nachglühen bezeichnet wird.

Eine alternative Erklärung wäre, dass die zusätzlichen Röntgen­strahlen von Material stammen, das in ein schwarzes Loch fällt, welches sich nach der Verschmelzung der Neutronensterne gebildet haben müsste. „Dies wäre entweder das erste Mal, dass wir ein Kilonova-Nachglühen sehen oder das erste Mal, dass wir Material sehen, das nach einer Neutronenstern­verschmelzung auf ein schwarzes Loch fällt“, sagt Joe Bright, ebenfalls von der University of California in Berkeley. 

Um zu ermitteln, welche der beiden Erklärungen zutreffend ist, müssen die Astronomen GW170817 weiterhin beobachten und neben den Röntgen­strahlen auch mögliche Radiowellen messen. Wenn es sich um ein Kilonova-Nachglühen handelt, wird die Radio­emission voraus­sichtlich mit der Zeit heller werden. Handelt es sich dagegen um Materie, die auf ein neu entstandenes schwarzes Loch fällt, dann sollte die Röntgen­strahlung konstant bleiben oder schnell abnehmen und es wird keine Radioemission auftreten. 

Hier kommen nun Sebastiano Bernuzzi und Vsevolod Nedora von der Universität Jena ins Spiel. Sie haben die Massen­ausflüsse, von denen das Kilonova-Signal ausgeht, in einem großen Satz von Simulationen, die speziell auf GW170817 ausgerichtet sind und neueste mikro­physikalische Modelle beinhalten, analysiert. Sie berechneten das zu erwartete Kilonova-Nachleuchten und konnten eine Über­einstimmung mit den Chandra-Beobachtungen feststellen. „Die enge Zusammenarbeit von astronomisch und theoretisch arbeitenden Team­mitgliedern war der Schlüssel zur Identifi­zierung der möglichen Szenarien für den Ursprung der späten Röntgen­emission von GW170817“, sagt Sebastiano Bernuzzi.

Dennoch ist weitere Forschung und Beobachtung von GW170817 notwendig und könnte laut Kate Alexander von der Northwestern University weit­reichende neue Erkenntnisse liefern. „Der Nachweis eines Kilonova-Nach­leuchtens würde bedeuten, dass bei der Verschmelzung nicht sofort ein schwarzes Loch entstanden ist. Alternativ könnte dieses Objekt den Astronomen die Möglichkeit bieten, zu untersuchen, wie Materie einige Jahre nach der Entstehung eines schwarzen Lochs auf dieses fällt." Kürzlich ist bei neuen Chandra-Beobach­tungen weitere Strahlung entdeckt worden, Radiowellen in Verbindung mit der aufkommenden Röntgen­strahlung sind bisher aber nicht gemessen worden.

U. Jena / JOL

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