Im Jahr 132 n. Chr. entwickelte der kaiserliche Astronom Zhang Heng einen bahnbrechenden Erdbeben-Detektor. Laut der Geschichte der späten Han-Dynastie warnte diese Erfindung den chinesischen Kaiser vor verheerenden Beben in fernen Provinzen des Reiches.
Zhang Hengs Seismograph war ein bronzenes Gefäß mit zwei Metern Durchmesser, umgeben von acht Drachenköpfen. Jeder Drache hielt eine Metallkugel im Maul, während bronzene Kröten darunter warteten. Bei einem fernen Beben kippte eine innere Stange, öffnete das Maul des entsprechenden Drachen und ließ die Kugel in die Kröte fallen – ein geniales Prinzip der frühen Seismologie.
Von Erdbeben zu Weltraumbeben
Fast 2.000 Jahre später orten Gravitationswellen-Observatorien wie LIGO und VIRGO routinemäßig kosmische 'Beben' in entlegenen Universumsregionen. Seit August 2017 misst VIRGO nahe Pisa die Ankunftszeiten dieser Wellen präzise und lokalisiert Quellen genau – entscheidend für optische Nachfolgebeobachtungen katastrophaler Ereignisse.
Am 17. August 2017 erfassten die Detektoren das Signal GW170817, anders als frühere LIGO-Ereignisse. 1,7 Sekunden später meldete NASAs Fermi-Teleskop einen Gammastrahlenausbruch aus derselben Richtung. Weltweite Teleskope identifizierten die Quelle innerhalb von 12 Stunden.
Dies war die erste optische Entdeckung eines Gravitationswellen-Ereignisses – ein Meilenstein der Astronomie. GW170817 stammte von einer Kilonova in NGC 4993, 138 Millionen Lichtjahre entfernt.
Kilonovae sind eine neue Klasse von Explosionen zwischen Novae und Supernovae: tausendfach heller als Novae, doch nur 1/1.000 bis 1/100 so leuchtkräftig wie Supernovae. Sie entstehen durch Kollisionen zweier Neutronensterne.
Neutronenstern-Kollisionen
Neutronensterne sind extrem dichte Objekte: 1,5 Sonnenmassen in 20–30 km Durchmesser gepresst – ein Teelöffel wiegt Milliarden Tonnen. Die GW170817-Sterne spiralierten über Millionen Jahre durch Gravitationswellen aufeinander zu, bis sie 100 Sekunden vor der Verschmelzung detektierbar wurden.
Aus neutronenreicher Materie bestehend, werden bei Kollisionen Fragmente radioaktiv: Neutronen zerfallen zu Protonen, schwere Kerne bilden sich und zerfallen in Gammastrahlen – Ursprung des kurzen Ausbruchs. Das Nachleuchten der Kilonova stammt vom radioaktiven Zerfall. Die Verschmelzung bildete vermutlich ein Schwarzes Loch.
Die Geburt schwerer Metalle
Neutronenstern-Kollisionen erklären möglicherweise die Herkunft von Gold und Platin. Massereiche Sterne fusionieren bis Eisen/Nickel; Supernovae sollten schwere Elemente erzeugen – doch Simulationen zweifeln an ausreichender Effizienz jenseits von Silber.
1989 schlugen Eichler, Livio, Piran und Schramm Neutronenstern-Versmelzungen als Alternative vor, trotz anfänglicher Skepsis wegen Seltenheit.
Interstellarer Goldrausch
Modelle zu GW170817 prognostizieren 20.000 Erdmassen Auswurf bei 1/5 Lichtgeschwindigkeit, reich an schweren Elementen mit 10 ppm Gold – also erdähnliche Goldmengen pro Ereignis. Beobachtungen bestätigen dies.
Das Netz straffen
Produzieren Supernovae kleine Mengen schwere Elemente häufig, oder Kilonovae große Mengen selten? Die Zwerggalaxie Reticulum II (97.000 Lichtjahre entfernt) ist metallreich, trotz geringer Supernova-Wahrscheinlichkeit. Wahrscheinlich ein 'Lotteriegewinn' einer Neutronenstern-Kollision – Erklärung für schwere Metalle in unserer Galaxie.
Die Tabelle (oben) zeigt Ursprünge der Elemente nach moderner Astrophysik. (Diagramm fasst finale Synthese-Schritte; viele Kerne durchlaufen Sequenzen.)
Ihr Goldring
Alle Nicht-Wasserstoff-Atome in unserem Körper entstanden in Sternen – Goldatome jedoch bei Neutronenstern-Kollisionen. Lange Gammastrahlenausbrüche? Thema des nächsten Kapitels.