Gravitationswellen Zwei Sterne sterben - und wir sehen zu wie noch nie

Mit Dutzenden Teleskopen haben Forscher beobachtet, wie zwei Neutronensterne kollidieren. Erstmals konnten sie auch Gravitationswellen der kosmischen Katastrophe messen. Es ist der Start eines neuen Zeitalters der Astronomie.

MPI für Gravitationsphysik

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Ja, klar: Österreichwahl. Niedersachsenwahl. Trump und Iran. Nazis auf der Buchmesse. All das ist sehr wichtig. Aber wenn Sie sich darauf einlassen, wird diese Geschichte die überraschendste sein, die Sie heute lesen. Versprochen!

Und wenn Sie den Text gelesen haben, werden Sie Ihrem Herzensmenschen Faszinierendes erzählen können. Zum Beispiel, dass der Goldring, den er oder sie am Finger trägt, wohl nur existiert, weil in den Weiten des Alls irgendwann ein Stern gestorben ist. Und dass für Himmelsforscher gerade ein neues Zeitalter begonnen hat, nicht mehr und nicht weniger.

Aber eins nach dem anderen.

Beginnen wir mit Andreas von Kienlin, einem Astrophysiker vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching. Er ist nur einer von Hunderten Menschen, deren Arbeit für diese Geschichte wichtig ist. Aber an seiner Person lässt sich die Sache gut erzählen.

Riesige Strahlungsexplosionen im All

Kienlin gehört zu einer Gruppe von Forschern, die mit einem speziellen Messgerät auf dem Weltraumteleskop "Fermi" nach riesigen Strahlungsexplosionen im All lauschen. Wenn der "Gamma-Ray Burst Monitor", so heißt das Messgerät, etwas Auffälliges findet, bekommen die Himmelsforscher sofort eine Benachrichtigung. Bei Kienlin landet die Botschaft im E-Mail-Posteingang.

Etwa vier- bis fünfmal pro Woche zeugen die Hinweise von besonders interessanten Gammastrahlenausbrüchen. Die Forscher nennen diese Ereignisse nach dem englischen Begriff Gamma-Ray Burst normalerweise kurz GRB. Jedes von ihnen bekommt eine Katalognummer.

Binnen Sekunden wird bei solch einem GRB mehr Energie frei als unsere Sonne in fast fünf Milliarden Jahren ins All geblasen hat. Für viele ist das nur schwer vorstellbar. Forscher Kienlin sagt dagegen lakonisch: "Wenn man pro Woche vier explodierende Sterne sieht, wird man ein bisschen abgebrüht."

Unter all diesen Ereignissen sticht nun aber eines heraus: Es ist der Ausbruch, den der "Fermi"-Satellit am 17. August dieses Jahres um 14 Uhr 41 Minuten und 04 Sekunden mitteleuropäischer Sommerzeit registrierte, abgelegt im Katalog unter dem Kürzel GRB 170817A. Er wird die Geschichte der Astronomie grundlegend prägen - und das, obwohl der Strahlungsblitz weder besonders stark noch besonders weit weg von uns war.

"Etwas ganz Besonderes"

"Etwa eine halbe Stunde nach der Beobachtung haben wir mitbekommen, dass das etwas ganz Besonderes ist", sagt Kienlin. Der Grund dafür war, dass auch der "Ligo"-Gravitationswellendetektor in Hanford im US-Bundesstaat Washington das Ereignis bemerkt hat. Dort bekam es die Katalognummer GW170817.

Mittlerweile ist klar, dass die Forscher beim Zusammenstoß von zwei Neutronensternen zuschauen konnten, bei einer sogenannten Kilonova. Nach Durchsicht und Aufbereitung der Daten zeigte sich, dass auch der - eigentlich gerade nicht im Messmodus befindliche - "Ligo"-Detektor in Livingston (US-Bundesstaat Louisiana) und - schwach - auch der europäische "Virgo"-Detektor in der Nähe von Pisa den kosmischen Crash registriert hatten.

Neutronensterne gehören zu den faszinierendsten und exotischsten Objekten des Universums. Sie sind die Überreste riesiger Sonnen, die unter der Wirkung ihrer eigenen Schwerkraft zusammengebrochen sind - nachdem ihnen der Treibstoff für die Kernfusion in ihrem Inneren ausgegangen ist. Übrig bleiben extrem kleine Himmelskörper - Neutronensterne haben nur einen Durchmesser von 20 Kilometern - mit einer extremen Dichte.

Trotz ihrer Mini-Ausmaße können sie mehr Masse als unsere Sonne besitzen. Eine stecknadelkopfgroße Portion ihrer Materie wiegt so viel wie ein voller Öltanker. Auch das ist für Nichtastronomen nur schwer vorstellbar. Zusätzlich sind sie heiß, rotieren unfassbar schnell und sind von mörderischen Magnetfeldern umgeben.

Von diesen Exoten des Universums also waren zwei zusammengestoßen, rund 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Wegen der großen Massen, die bei so einer Kilonova bewegt werden, entstehen Gravitationswellen. Auf der Erde können wir diese winzigen Kräuselungen der Raumzeit erst seit Kurzem messen, gerade gab es dafür den Physik-Nobelpreis.

Im Video: Warum Gravitationswellen so faszinierend sind

SPIEGEL ONLINE/Nasa

Die Beobachtung vom 17. August ist die erste, bei der diese Wellen nach der Fusion zweier Neutronensterne nachgewiesen wurden. Die vier vorherigen Gravitationswellen-Messungen hatten alle den Zusammenstoß von schwarzen Löchern belauscht. Das für sich wäre bereits eine Sensation.

Aber da ist noch mehr. Es ist auch das erste Mal, dass Astronomen sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung vom selben astronomischen Ereignis messen konnten.

Am besten erklären lässt sich die Bedeutung mit einer Analogie: Bisher hat die Menschheit ihre Teleskope auf der Erde und im All wie Augen genutzt. Seit Kurzem kann sie mit Gravitationswellendetektoren gewissermaßen auch Dinge im All hören. Nun ist es erstmals gelungen, Augen und Ohren zusammen zu nutzen.

"Dies ist der Beginn der Multi-Messenger-Astronomie und eines tieferen Verständnisses unseres Universums", jubelt etwa Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (AEI) in Hannover. Vom "Beginn einer neuen Ära" spricht auch MPE-Forscher Jochen Greiner.

Ein strahlender Punkt nach elf Stunden

Insgesamt haben 70 Observatorien rund um die Erde und im All ein Nachglühen der Neutronensternkollision im Sternbild Hydra beobachten können, darunter die Europäische Südsternwarte im chilenischen La Silla und das "Hubble"-Weltraumteleskop. Die Astronomen hatten sie innerhalb kürzester Zeit auf das Himmelsgebiet ausgerichtet, in dem "Fermi" und die Gravitationswellen-Detektoren fündig geworden waren.

Im Bereich der linsenförmigen Galaxie NGC4993 registrierten die Teleskope nach etwa elf Stunden einen strahlenden Punkt, der dort vorher nicht zu sehen gewesen war: Es war das Nachglühen der kollidierten Neutronensterne, zu beobachten bei optischen, Infrarot- sowie Röntgen- und Radiowellenlängen.

Schon früher vermuteten Astronomen, dass sie solch eine Kollision beobachtet hatten. Jetzt wissen sie es erstmals mit Sicherheit. Genauso wie nun endlich gesichert ist, dass kurze Gammastrahlenausbrüche, wie Kienlin sie misst, tatsächlich von der Kollision von Neutronensternen verursacht werden. Auch das war zuvor nur mehr oder weniger gemutmaßt worden.

Ein weiteres Detail dabei: Gammastrahlen und Gravitationswellen wurden mit rund zwei Sekunden Zeitunterschied nachgewiesen. Diese Erkenntnis hilft den Forschern, besser zu verstehen, wie die Neutronensternverschmelzung tatsächlich abläuft. "Diese und die anderen Beobachtungen geben uns einzigartige Einblicke in die Physik rund um dieses Ereignis", sagt Andreas von Kienlin.

Und der Goldring?

Mittlerweile fragen Sie sich sicherlich, was das alles mit dem Goldring zu tun hat, von dem am Anfang die Rede war. Nun, die Fusion zweier Neutronensterne gibt Astronomen auch Antworten auf eine fundamentale Frage: Woher kommen die schweren chemischen Elemente in unserem Universum?

Die leichten Atome entstehen bei der Kernfusion im Inneren von Sonnen: Wasserstoffkerne fusionieren unter Abgabe riesiger Energiemengen zu Helium. Daraus wiederum können bei anderen Fusionsreaktionen zum Beispiel Kohlenstoff und Sauerstoff entstehen - und schließlich Elemente bis hin zu Eisen. Die Grundstoffe für Ihr Auto zum Beispiel wurden mal im Inneren eines fremden Sterns gebrannt.

Bei Eisen aber müsste eigentlich Schluss sein. Für die Bildung noch schwererer Atomkerne wäre es nötig, Energie von außen zuzuführen. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne, wie sie die Forscher nun erstmals mit Sicherheit beobachtet haben, liefert diese. Mit ihrer Hilfe können auch große Mengen schwerer Elemente entstehen.

Astronomen hatten das bisher schon vermutet. Auch hier gibt es nun den direkten Beweis: Bei Beobachtungen der betreffenden Himmelsregion in der Galaxie NGC4993 fanden die Forscher in den Tagen nach der Kollision unter anderem Hinweise auf riesige Mengen an neu entstandenem Gold und Platin.

Revolution der Astronomie

Deswegen ist es nicht überzogen, die Beobachtungen vom 17. August und den Tagen danach als Revolution der Astronomie zu bezeichnen. Sie regten, so schreibt Cole Miller von der University of Maryland in College Park in einem "Nature"-Kommentar, "den Appetit an, auf viele erwartete Verschmelzungen von Neutronensternen, die in zukünftigen Messkampagnen zu erwarten sind".

Bereits jetzt erscheinen zum Start der aktuellen Datenauswertungen ganze Stapel von wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Die Gravitationswellenforscher berichten in den "Physical Review Letters", die Astronomen mit Teleskopen für elektromagnetische Wellen stellen ihre Erkenntnisse unter anderem in fünf Artikeln in "Nature" und einem in "Nature Astronomy" vor. Auch in "Science" und dem "Astrophysical Journal" erscheinen Arbeiten zur Kilonova.

Schon wochenlang kursierten Gerüchte über die Beobachtungen im Netz. Journalisten bekamen das Material in der vergangenen Woche in Teilen vorab. Aber vieles blieb bis zur offiziellen Verkündung der Ergebnisse am Montag im Verborgenen, die mit Pressekonferenzen rund um den Globus orchestriert wurde.

Fachleute werden in den kommenden Wochen sicher debattieren, ob es kleinere Inkonsistenzen zwischen manchen der Forschungsergebnisse gibt. Klar aber ist: Für Sternengucker hat ein neues Zeitalter begonnen. Und das ist ein Grund zum Feiern. Andreas von Kienlin wird das in Garmisch-Partenkirchen tun - dort trifft sich die "Fermi"-Community seit Montag zu einer ihrer regelmäßigen Konferenzen. GRB 170817A wird wohl das alles beherrschende Thema sein.

insgesamt 182 Beiträge
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Seite 1
derpif 16.10.2017
1.
Die Bilder sind atemberaubend. Etwas wie Zellteilung rückwärts.
HaioForler 16.10.2017
2.
Meister Einstein war doch der Größte, keine Frage. Noch 100 Jahre nach Erstehung der Allgemeinen Relativitätstheorie werden immer wieder Voraussagen bestätigt. die er damals nur im Kopf und auf dem Papier erdachte. Schon im 1905 alleion waren mindestens 3 oder 4 Arbeiten nobelpreiswürdig - nur wußte das damals noch niemand zu schätzen und einzuordnen.
The Restless 16.10.2017
3. zwei Sekunden
Danke für den spannenden Bericht! Sollten von den zwei Sekunden Laufzeitunterschied zwischen dem elektromagnetischen Blitz und den Gravitationswellen - nach eingehender Analyse - noch etwas übrig bleiben, das sich nicht nahtlos ins Bild fügt, dann wäre eventuell eine noch interessantere These denkbar: Dass sich Gravitationswellen nicht ganz präzise mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Wäre das wirklich der Fall, dann könnte das Hinweise auf eine weiterreichende Theorie (Quantengravitation?) liefern.
bökelmann 16.10.2017
4.
Zitat von derpifDie Bilder sind atemberaubend. Etwas wie Zellteilung rückwärts.
Die Bilder stammen aus einer Simulation, sind also nicht echte Wiedergabe des Ereignisses.
helmut.alt 16.10.2017
5. Es ist faszinierend zu erkennen,
dass der Mensch, die Natur, alles was wir sehen aus "Sternenstaub" besteht. Am Anfang gab es nur Wasserstoff als Baustein für Fusionsprozesse, die aber freiwillig nur bis zur Eisenbildung abliefen. Erst bei der Explosion großer Sterne, den Supernovae, wurden die schwereren Elemente wie Gold und auch Uran gebildet und als "Sternenstaub" im Universum verteilt. Dank der Gravitationskraft bildeten sich aus diesem Staub größere Materieklumpen bis hin zu Planeten. Und auf einem solchen Planeten aus Sternenstaub leben wir. Raffinierte Mechanismen fördern Gold und Diamanten aus großen Tiefen unseres Erdballs an die Erdoberfläche (Vulkane!), damit sich der Mensch daran erfreuen kann. Der Mensch, die Natur, alles Produkte aus Sternenstaub! Das kann doch nicht Zufall sein!
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