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Ein Blick auf die 130 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie NGC 4993, wo die Gravitationswellen sichtbar wurden.

Astronomie

Optische Signale von Gravitationswellen gefunden

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Erstmals haben Astronomen Gravitationswellen im Weltall optisch erfasst. Experten sprechen von "Geschichte schreibenden Beobachtungen" und einer "neuen Ära" - und haben noch eine Sensation zu verkünden.

Hundert Jahre vergingen bis zum ersten Nachweis von Gravitationswellen, nachdem Albert Einstein diese Verzerrungen der Raumzeit 1916 als Folge seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt hatte. Doch seit am 14. September 2015 die beiden Laser-Interferometer-Observatorien (LIGO) in den USA diese geheimnisvollen Phänomene erstmals aufspürten, scheint es Schlag auf Schlag zu gehen. Noch drei weitere Signale fingen die Forscher nach ihrer ersten Entdeckung, für die sie 2017 den Physik-Nobelpreis erhalten, auf.

Am Montag nun gab es eine weitere wissenschaftliche Sensation: Astronomen haben erstmals in sichtbarem Licht eine Quelle von Gravitationswellen ausgemacht; bei allen früheren Nachweisen waren diese stets durch Vibrationen der Raumzeit-Struktur aufgefallen.

Erstmals beobachtet: Verschmelzung zweier Neutronensterne

Doch die Entdeckung ist noch aus anderen Gründen spektakulär: Die Gravitationswellen stammen von der Verschmelzung zweier Neutronensterne, einer gewaltigen kosmischen Katastrophe, die zum ersten Mal beobachtet wurde. Fast zeitgleich erschien als Folge ein Gammastrahlenblitz; wie diese Phänomene entstehen, galt bislang als nicht restlos geklärt.

Die bahnbrechenden Neuigkeiten wurden heute bei zwei Pressekonferenzen im Verwaltungssitz der Europäischen Südsternwarte (ESO) – der  von 16 Ländern getragenen europäischen Organisation für astronomische Forschung –  in Garching und beim LIGO in Washington D.C. bekanntgegeben. Beteiligt waren Forscher eines weltweiten Netzwerks von Astronomen. Sie bewerten ihre Entdeckungen, die unter anderem in der Fachzeitschrift „Nature“ publiziert werden, als „Geschichte schreibend“, wie es in einer Mitteilung der ESO heißt. „Es kommt nur selten vor, dass ein Wissenschaftler Zeuge des Beginns einer neuen Ära werden kann“, schwärmt Elena Pian vom Nationalen Institut für Astrophysik Italiens: „Dies war eine solche Gelegenheit!“

Bisher waren alle nachgewiesenen Gravitationswellen die Folge kollidierender Schwarzer Löcher gewesen. Schwarze Löcher und Neutronensterne sind verschiedene Zustände, die Sterne am Ende ihrer „Lebenszeit“ annehmen können. Ein Schwarzes Loch kann entstehen, wenn ein massereicher Stern als Supernova explodiert und seine äußeren Schichten abstößt. Der Rest kollabiert und wird auf winzigstem Raum zusammengepresst – ein Ort, aus dem kein Licht mehr entkommen kann und der eine enorme Anziehungskraft erzeugt. Vermutlich können auch zwei Sterne, die zusammenstoßen und ihre Massen vereinigen, zu Schwarzen Löchern führen. Schwere Sterne mit einer Masse von acht als zehn Sonnen können sich in Neutronensterne verwandeln. Sie werden nach einer Supernova so stark zusammengepresst, dass durch den Druck die Atome entweichen und sie nur noch aus Neutronen bestehen.

Was passiert, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen, dazu gab es bislang nur Vermutungen, nie jedoch durch Beobachtungen gestützte Beweise. So sagten Wissenschaftler vor mehr als 30 Jahren voraus, dass es durch ein solches Ereignis zu gewaltigen Explosionen mit der tausendfachen Helligkeit einer normalen Nova, sogenannten Kilonovae, kommen würde.

Ausbruch eines Gammastrahlenblitzes

Bestätigen ließen sie sich jedoch bis zur aktuellen Entdeckung nicht. Die beiden Sterne rotieren bei diesem Prozess erst umeinander, erklärt Elena Pian, „immer schneller, immer dramatischer und wenn sie dann einander berühren, explodieren sie.“ Bei diesem galaktischen Zusammenprall werden Elemente wie Gold, Platin oder Barium, die schwerer als Eisen sind, im All verteilt, erläutert sie. Die Wissenschaft vermutet jetzt sogar, dass ein Großteil solcher schweren Elemente auf der Erde von Neutronenstern-Verschmelzungen herrührt. Als weitere Folge nahmen die Astronomen den Ausbruch eines Gammastrahlenblitzes wahr, einer gewaltigen Energieentladung, von der große Mengen elektromagnetischer Strahlung ausgehen. 

Und so kam es zu der spektakulären Beobachtung: Am 17. August dieses Jahres wiesen die Laser-Interferometer-Gravitationswellen Observatorien der National Science Foundation (NSF) in den USA zusammen mit dem Interferometer „Virgo“ im italienischen Pisa Gravitationswellen nach. „Es war das stärkste Signal, das wir je gemessen haben“, sagt Samaya Nissanke, Astrophysikerin von der Radboud University in den Niederlanden. Diesem Ereignis gab man den etwas sperrig klingenden Namen „GW170817“. Nur zwei Sekunden später zeichneten zwei Satelliten der US-Raumfahrtbehörde Nasa und der europäischen Weltraumorganisation Esa in derselben Region einen kurzen Gammablitz auf.

Die Quelle dieses Ausbruch wurde innerhalb eines großen Areals des südlichen Himmels lokalisiert, das der Fläche mehrerer hundert Vollmonde entspricht und Millionen von Sternen enthält. Genau diesen Bereich des Himmels nahmen sich dann nach Einbruch der Nacht mehrere Teleskope in Chile vor, darunter auch das große VISTA-Teleskop der ESO.

Das „Swope-1-Meter-Teleskop“ des Las-Campanas-Observatoriums bei La Serena vermeldete als erstes einen neuen Lichtpunkt am Himmel. Er schien sehr nahe an einer linsenförmigen Galaxie mit dem Namen NGC 4993 im Sternbild Wasserschlange zu liegen, berichten die Wissenschaftler. Fast zur selben Zeit gelang es den Forschern, mit dem VISTA-Teleskop am Paranal Observatorium die Quelle bei infraroten Wellenlängen genau zu lokalisieren. Während die Nacht weiter nach Westen wanderte, erfassten auch Teleskope auf Hawaii das Signal und beobachteten, wie es achtmal stärker wurde.

Auch Hubble beteiligt

Die Europäische Südsternwarte startete nun eine der größten „Target of Opportunity“-Kampagnen, das sind kurzfristig angesetzte Messungen außer der Reihe des eigentlichen Zeitplans. Insgesamt 70 Teleskope beobachteten das Objekt in den Wochen nach der Entdeckung. Auch das Hubble-Weltraumteleskop war an der Aktion beteiligt.

Die Experten waren sich nach der Analyse der Daten einig, dass die Quelle des Phänomens genau wie die Galaxie NGC 4993 etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt sein muss. „Das würde bedeuten, dass es sich bis jetzt nicht nur um das uns nächstgelegene jemals beobachtete Gravitationswellen-Ereignis handelt, sondern auch um die uns nächste jemals beobachtete Quelle eines Gammastrahlenausbruchs“, erklären die beteiligten Wissenschaftler in einer Mitteilung der ESO.

Da Gravitationswellen und Gammastrahlen beinahe zeitgleich zu beobachten waren, sind die Forscher zuversichtlich, dass es sich bei diesem Vorgang tatsächlich um eine Kilonova handelt, wie sie bislang  nur postuliert, aber eben noch nie beobachtet werden konnte. „Die Daten, die wir bisher haben, kommen der Theorie erstaunlich nahe. sagt Stefano Covino, Erstautor eines Artikels in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“. Das sei nicht nur „ein Triumph für die Theoretiker“, sondern auch ein Erfolg für die ESO.

Und dann kamen den Wissenschaftlern auch noch glückliche Umstände im Universum zugute: Nur weil sich die Verschmelzung der Neutronensterne in der vergleichsweise geringen Entfernung von 130 Millionen Lichtjahren zur Erde abspielte, war die Beobachtung überhaupt möglich. Denn Neutronensterne erzeugen bei ihrer Verschmelzung schwächere Gravitationswellen als Schwarze Löcher, wie sie die ersten vier Nachweise verursacht haben.

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