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Gravitationswellen-Sensation : Der Beginn einer neuen Ära der Astrophysik

Eine gigantische Dichte

Die Dichte eines Neutronensterns ist gigantisch, vergleichbar mit der Dichte eines Atomkerns. Ein Teelöffel seines Materials wäre knapp 1000 Mal so schwer wie die Cheops-Pyramide. Das Gravitationsfeld an der Oberfläche ist etwa hundert Milliarden Mal so stark wie das auf unserer Erde. Die Masse eines Neutronensterns mit einem typischen Durchmesser von zehn bis zwanzig Kilometern entspricht etwa ein- bis zweimal derjenigen unserer Sonne. Neutronensterne besitzen außerdem ein sehr starkes Magnetfeld, das Elektronen beschleunigt und die Abstrahlung von elektromagnetischer Synchrotronstrahlung in einem engen Kegeln in Richtung der Achse des Magnetfelds verursacht. Gleichzeitig rotieren junge Neutronensterne sehr schnell - bis zu vielen hundert Mal pro Sekunde - da beim Kollaps des Sterns dessen Drehimpuls erhalten bleibt. Sofern die Rotationsachse von der Achse des Magnetfelds abweicht, dreht sich der Strahlungskegel - für Beobachter, die von dem Kegel periodisch gestreift werden, scheint der Neutronenstern zu blinken, und wird in diesen Fällen als Pulsar bezeichnet.

Simulation der Kollision zweier Neutronensterne

In unserer Galaxie vermutet man etwa hundert Millionen Neutronensterne, einige Prozent von ihnen existieren in Binärsystemen zusammen mit jüngeren Sternen, roten Riesen, weißen Zwergen, oder anderen Neutronensternen. Umeinander rotierende Neutronensterne nähern sich einander mit der Zeit, da das System Energie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verliert, bis sie schließlich ineinander stürzen. Die Beschleunigung der beiden Massen lässt dabei die Raumzeit durch Gravitationswellen erbeben. Es wird vermutet dass bei der Verschmelzung Gammablitze erzeugt werden - kurze Ausbrüche gebündelter hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, die erstmalig 1967 beobachtet wurden. Die Bündelung der Strahlung macht es allerdings unwahrscheinlich, dass sie in unserer Sichtlinie liegt und wir sie beobachten können. Darüber hinaus erwartet man einen weiteren Prozess, der elektromagnetische Strahlung erzeugt, die gleichermaßen in alle Richtungen abgestrahlt wird: Die Verschmelzung der Neutronensterne wirbelt neutronenreiches, radioaktives Material auf, das zerfällt und dabei elektromagnetische Strahlung abgibt. Dieses Phänomen wird als  „Kilonova” bezeichnet und ist diejenige Entsprechung einer Verschmelzung von Neutronensternen im ultravioletten, optischen und infraroten Licht, die bei Vorliegen einer entsprechenden Gravitationswellendetektion beobachtet werden könnte.

Interessant ist diese Phase der Verschmelzung von Neutronensternen auch deshalb, weil im abgegebenen neutronenreichen Material nach dessen Freisetzung mutmaßlich schnelle Neutroneneinfangprozesse stattfinden, die sogenannten r-Prozesse, die zur Bildung neutronenreicher Atomkerne jenseits von Eisen führen. Diese schweren Elemente werden nicht durch Kernfusion hergestellt, ihr Ursprung ist bislang noch nicht eindeutig bekannt: neben den Neutronensternen kommen auch Kern-Kollaps Supernovae dafür in Frage, den r-Prozess zu begünstigen. Die direkte Beobachtung der Verschmelzung von Neutronensternen bei elektromagnetischen Wellenlängen kann hier endlich für Klarheit sorgen. Man vermutet, dass etwa die Hälfte der schweren Elemente im Periodensystem durch den r-Prozess entstanden sind, die andere Hälfte wäre dann auf andere, Neutroneneinfangprozesse zurückzuführen, die auch bei niedrigeren Dichten und niedrigeren Temperaturen ablaufen.

2017: Das Jahr der Gravitationswellenastronomie

Endlich scheint es nun gelungen - dies legt zumindest die Ankündigung zur Pressekonferenz nahe - die Quelle einer Gravitationswelle weltweit in vielen verschiedenen Informationskanälen zu beobachten – und damit mutmaßlich die Kollision zweier Neutronensternen zu verfolgen. Man kann damit rechnen, dass das Jahr 2017 als das Gründungsjahr der Gravitationswellenastronomie in die Geschichte eingehen wird. Nun bleibt uns, gespannt auf die Details der Entdeckung zu warten.

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