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Gravitationswellen-Astronomie : Das Ende zweier Neutronensterne

Künstlerische Darstellung der Kollision zweier Neutronensterne Bild: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Zum zweiten Mal ist es gelungen, ein Gravitationswellen-Signal aufzuzeichnen, das mutmaßlich auf die Kollision zweier Neutronensterne zurückgeht. Doch der Fund gibt Rätsel auf.

          3 Min.

          Wie gestern bei einer Pressekonferenz im Rahmen des 235. Treffens der American Astronomical Society in Honolulu bekannt gegeben wurde, ist es am 25. April 2019 zum zweiten Mal gelungen, ein Gravitationswellensignal aufzuzeichnen, das auf die Kollision zweier Neutronensterne zurückgeführt werden kann.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Neutronensterne sind extrem kompakte Endstadien massereicher Sterne. Das Signal wurde dabei nur in einem der drei Observatorien des Konsortiums registriert, wie in einem begleitenden, bei der Fachzeitung „The Astrophysical Journal Letters“ eingereichten Artikel beschrieben wird. Während das Ereignis deutlich in den Daten des Instruments im amerikanischen Livingston zu sehen war, war das zweite Ligo-Observatorium in Hanford zu diesem Zeitpunkt temporär nicht in Betrieb. Das dritte Observatorium, der Virgo-Detektor im italienischen Cascina, lief zwar, registrierte aber kein Signal. Die Tatsache, dass das Ereignis in Italien nicht beobachtet werden konnte, konnte von den Wissenschaftlern aber dafür genutzt werden, den Ursprungsort der Gravitationswelle am Himmel einzugrenzen.

          Das als „GW190425“ bezeichnete Signal verweist laut Modellrechnungen auf die Kollision zweier Objekte mit einer Gesamtmasse zwischen 3,3 und 3,7 Sonnenmassen – ein für die Astronomen überraschend hoher Wert. Die Masse ist deutlich größer als man auf der Grundlage bekannter Neutronenstern-Doppelsysteme erwartet hätte. Unter den 17 bislang in unserer Milchstraße bekannten Doppelsystemen liegt die maximale Masse bei 2,89 Sonnenmassen. Die Astronomen spekulieren daher, dass das nun beobachtete Doppelsystem anders beschaffen sein könnte als die bekannten: Die beiden Sterne könnten sich auf extrem engen Bahnen mit Umlaufperioden von weniger als einer Stunde befunden haben, und damit einen Zweig der Binär-Population repräsentieren, der für die Durchmusterung unserer Galaxie unsichtbar ist. Alternativ könnten die beiden Sterne unabhängig voneinander entstanden sein und erst später dynamisch zu einem System zusammengefunden haben – ein Prozess, der im lokalen Universum sehr unwahrscheinlich zu sein scheint.

          Die Gravitationswellen werden in hochempfindlichen Interferometern registriert, hier das Ligo-Observatorium im amerikanischen Hanford, das zum Zeitpunkt der Entdeckung nicht in Betrieb war.

          Die Wissenschaftler ziehen darüber hinaus auch die Möglichkeit in Betracht, dass an dem Ereignis ein oder zwei Schwarze Löcher beteiligt gewesen sein könnten. Sie halten diese Option aber für nicht wahrscheinlich, da in diesem Fall die Masse der beteiligten Schwarzen Löcher genau zwischen denen der für Neutronensternen und Schwarzen Löchern typischen Werten liegen müsste. Ob es aber Schwarze Löcher mit Massen unterhalb von 4 Sonnenmassen überhaupt gibt, ist umstritten.

          Im Herbst 2017 war es eine Sensation gewesen, als die Ligo- und Virgo-Kollaborationen die erstmalige Aufzeichnung eines Gravitationswellensignals vom 17. August desselben Jahres bekannt gaben, das von der Verschmelzung zweier Neutronensterne stammte. Diese Entdeckung war nicht nur deshalb so bemerkenswert, weil sie viele Details über den Verschmelzungsprozess und dessen Folgen wie beispielsweise die Produktion schwerer Elemente lieferte, die bis dahin unbekannt waren. Ihre Bedeutung lag insbesondere auch darin, dass erstmalig der Ursprung einer Gravitationswelle nicht nur anhand der winzigen, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegenden Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit, sondern auch anhand elektromagnetischer Strahlung beobachten ließ: die Verschmelzung der stellaren Endstadien war gleichzeitig als Gammablitz und als ein Nachleuchten im gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu verfolgen.

          Die drei Gravitationswellen-Observatorium des Ligo-Virgo-Konsortiums befinden sich in Amerika und Italien.

          Das Forschungsgebiet der Gravitationswellen-Astrophysik hatte damit seinen Anschluss an die übrigen astrophysikalischen Beobachtungsdisziplinen vollzogen. Eine knappe dreiviertel Stunde nach der Registrierung von GW190425 wurde auch diesmal ein Alarm an Teleskope weltweit versandt, um nach dem elektromagnetischen Gegenstück des Signals oder nach Neutrinos zu suchen, die von dem Ereignis erzeugten worden waren. Da aber nur das Observatorium in Livingston das Signal empfangen hatte, war die Lokalisierung am Himmel erheblich ungenauer als bei dem Ereignis 2017. Während damals die aus dem Signal abgeleitete mögliche Ursprungsregion 0,04 Prozent des Himmels bedeckte waren es nun knapp 20 Prozent.

          Tatsächlich wurde kein weiteres astronomisches Signal gefunden, das zur registrierten Gravitationswelle gepasst hätte. Das Fehlen weiterer Informationsträger macht das neuerliche Signal weit weniger informativ als seinen Vorgänger 2017. Die Tatsache, dass es aber auf ein Doppelsystem verweist, dessen Eigenschaften von allen bisher beobachteten abweichen, macht es wiederum astrophysikalisch besonders interessant. „In jedem Fall repräsentiert die Quelle von GW190425 einen bislang unentdeckten Typ eines astrophysikalischen Systems“, schließen die Astronomen. Was daraus nun im Detail abzuleiten ist, werden weitere Studien zeigen.

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