Vor langer Zeit im Jahr 132 n. Chr. entwarf der kaiserliche Astronom Zhang Heng einen Erdbebendetektor. Die Geschichte der späteren Han-Dynastie berichtet, dass seine geniale Erfindung den chinesischen Kaiser vor katastrophalen seismischen Ereignissen in abgelegenen Außenposten des Imperiums warnen würde.
Zhang Hengs Seismoskop wird als Bronzegefäß mit zwei Metern Durchmesser beschrieben, an dessen Umfang acht Drachenköpfe angebracht sind. Eine Rekonstruktion ist unten gezeigt. Jeder Drache umklammert eine kleine Metallkugel in seinen Zähnen, während das offene Maul einer bronzenen Kröte weit unten klafft. Ein schwaches Zittern durch ein entferntes Erdbeben bringt eine Stange im Schiff zum Übergewicht, indem ein Hebel gezogen wird, der das Maul des Drachen öffnet, der dem Erdbeben zugewandt ist. Sein Ball wird losgelassen und fällt klirrend in das wartende Maul einer Kröte.
Von Erdbeben zu Weltraumbeben
Wir spulen fast zweitausend Jahre vor und Gravitationswellen-Observatorien entdecken jetzt routinemäßig Weltraumbeben in weit entfernten Regionen des Universums. Im August 2017 kam zu den beiden LIGO-Detektoren in den Vereinigten Staaten der neu aufgerüstete VIRGO-Detektor in der Nähe von Pisa in Italien hinzu. Indem die Ankunftszeit schwacher kosmischer Grollen an jedem Detektor mit Sekundenbruchteilgenauigkeit bestimmt wird, ist es möglich, die Richtung der Quelle der Gravitationswellen gut zu bestimmen. Dies sind wertvolle Informationen, da sie es Astronomen ermöglichen, nach sichtbaren Anzeichen der katastrophalen Explosion zu suchen, die die Gravitationswellen erzeugt hat.
Am 17. August erfassten die drei Instrumente ein unverkennbares Signal, ganz anders als die vier vorherigen Ereignisse, die von LIGO entdeckt wurden. Es wurde als GW170817 katalogisiert. Nur 1,7 Sekunden später entdeckte das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA einen kurzen Gammastrahlenausbruch, der von derselben Himmelsregion ausging, und Teleskope auf der ganzen Welt wurden aufgestellt, um die glühende Glut des Ereignisses zu lokalisieren, das die Gammastrahlung erzeugte. Innerhalb von zwölf Stunden wurde die Quelle des Gammastrahlenausbruchs aufgespürt.
Dies war die erste Entdeckung eines optischen Gegenstücks für ein Gravitationswellensignal und ist zu einem der am häufigsten beobachteten Ereignisse in der Geschichte der Astronomie geworden. Die Gravitationswellen und der kurze Gammastrahlenausbruch wurden von einer 138 Millionen Lichtjahre entfernten Kilonova in einer Galaxie namens NGC 4993 erzeugt.
Kilonovae bilden eine neue Klasse von Sternexplosionen, die zwischen Novae und Supernovae liegen. Sie sind rund tausendmal heller als eine Nova und daher auch ihr Name. Trotzdem haben sie nur ein Tausendstel bis ein Hundertstel der Leuchtkraft einer Supernova. Wir wissen jetzt, dass eine Kilonova die spektakuläre Explosion ist, die entsteht, wenn zwei Neutronensterne kollidieren und verschmelzen.
Neutronensternkollisionen
Neutronensterne sind wie riesige Atomkerne – die gesamte Masse eines Sterns ist auf nukleare Dichte komprimiert. Sie gehören zu den seltsamsten Objekten im Kosmos. Typischerweise werden eineinhalb Sonnenmassen in eine Kugel mit einem Durchmesser von nur 20 oder 30 Kilometern gepackt. Nach kosmischen Maßstäben winzig, aber unglaublich dicht, übersteigt die Masse eines Teelöffels Neutronenstern bei weitem eine Milliarde Tonnen. Versuchen Sie, das in Ihre Tasse Tee zu rühren!
Es wird angenommen, dass die Neutronensterne, deren Kollision das Ereignis GW170817 auslöste, eine ähnliche Geschichte hatten wie das Hulse-Taylor-Doppelsystem, das im vorherigen Kapitel untersucht wurde. Im Laufe von Millionen von Jahren hätten sie sich allmählich spiralförmig zusammengekrümmt, da sie durch die Emission von Gravitationswellen an Energie verloren hätten. Die Amplitude dieser Wellen war zu klein, um sie zu erkennen, bis sie 100 Sekunden vor ihrem tödlichen Zusammenstoß fast in Reichweite kamen.
Neutronensterne bestehen aus einer exotischen Form von Materie, die größtenteils aus Neutronen besteht. Solches Material existiert nur im extremen Gravitations-Würgegriff eines Neutronensterns. Jedes bei einer Kollision herausgeschleuderte Fragment wäre extrem instabil und würde sofort radioaktiv zerfallen, mit dramatischen und heftigen Folgen. Neutronen würden sich unter Emission von Elektronen und Neutrinos in Protonen umwandeln. Neutronenreiche schwere Kerne würden sich bilden und schnell in stabilere leichtere Kerne in einer Flamme von Gammastrahlung zerfallen.
Dies ist der Ursprung des kurzen Gammastrahlenausbruchs, der vom Fermi-Satelliten entdeckt wurde. Der andauernde radioaktive Zerfall des bei der Fusion emittierten Materials erzeugt das sichtbare Nachleuchten der Kilonova. Es wird angenommen, dass die Neutronensterne, die beim Ereignis GW170817 verschmolzen, den endgültigen Kollaps erlitten und ein Schwarzes Loch gebildet haben.
Die Geburt des Heavy Metal
Kollisionen von Neutronensternen könnten eines der Rätsel des Kosmos lösen. Wie entstanden Schwergewichtsatome wie Platin und Gold? Massereiche Sterne erzeugen Energie durch eine Reihe von Kernfusionsprozessen, die letztendlich den Kern des Sterns in Eisen und Nickel umwandeln. Schließlich kann durch Fusionsreaktionen keine weitere Energie mehr erzeugt werden und der Kern kollabiert, was die Detonation des Sterns als Supernova auslöst. Der explodierende Kern aus Eisen und Nickel wird in einen gewaltigen Fluss hochenergetischer Protonen und Neutronen getaucht, und lange Zeit wurde angenommen, dass dies den Ursprung schwererer Kerne bis hin zu Uran und Plutonium erklärt. Jüngste Computersimulationen deuten jedoch darauf hin, dass die extremen Bedingungen, die für die Nukleosynthese erforderlich sind, möglicherweise nicht lange genug anhalten, um Elemente jenseits von Silber und seinen Nachbarn im Periodensystem zu erzeugen. Das stellt uns vor ein Rätsel:Wo kommen all die wirklich schweren Elemente her?
David Eichler, Mario Livio, Tsvi Piran und David Schramms schlugen 1989 vor, dass Kollisionen von Neutronensternen einen alternativen Prozess darstellen könnten, bei dem schwere Elemente synthetisiert werden. Dies fand damals wenig Unterstützung, da angenommen wurde, dass solche Ereignisse zu selten seien, um die Mengen an Gold, Uran und anderen Elementen zu erklären, die wir in der Galaxie finden.
Interstellarer Goldrausch
Computermodelle von Verschmelzungen von Neutronensternen, wie dasjenige, das das Signal GW170817 erzeugte, zeigen, dass bei diesen Ereignissen etwa die 20.000-fache Masse der Erde ausgestoßen werden könnte. Dieses Material würde mit etwa einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen und weit und breit in der gesamten Galaxie verteilt. Es würde in Form schwerer Elemente vorliegen, die etwa zehn Teile pro Million Goldkerne enthalten, sodass die Gesamtmenge an Goldstaub, die in einer Kilonova erzeugt wird, etwa ein Fünftel der Masse der Erde betragen würde. Beobachtungen der jüngsten Kilonova deuten darauf hin, dass die Computermodelle korrekt sind.
Aber sind diese Ereignisse häufig genug, um die beobachteten Mengen an schweren Elementen zu erklären?
Das Netz straffen
Die große Frage ist, ob schwere Elemente in relativ kleinen Mengen bei ungewöhnlichen Ereignissen – Supernovae – oder ob sie bei sehr seltenen Ereignissen – Neutronensternkollisionen – in extrem großen Mengen produziert werden.
Unterstützung für letztere Möglichkeit kommt von einer kürzlich entdeckten Zwerggalaxie namens Reticulum II. Diese Galaxie wurde 2015 entdeckt und befindet sich im dunklen südlichen Sternbild Retikulum oder Kleines Netz. Sie ist ein enger Begleiter der Milchstraße, die nur 97.000 Lichtjahre entfernt ist. Die meisten Zwerggalaxien enthalten wenig oder gar keine schweren Elemente. Im Gegensatz dazu sind erhebliche Mengen der schweren Elemente in den Sternen und im interstellaren Gas von Reticulum II vorhanden.
Supernova-Explosionen sind ungewöhnliche Ereignisse. Es wird geschätzt, dass etwa alle 30 Jahre einer in der Milchstraße vorkommt, aber die meisten werden von interstellaren Staubwolken vor uns verborgen. Selbst in der schwächsten Zwerggalaxie würden wir mindestens alle 100.000 Jahre eine Supernova erwarten. Wenn also die schweren Elemente in Supernovae produziert werden, würden sich die schweren Elemente im Laufe der 13,8-Milliarden-jährigen Geschichte des Universums auf ein beträchtliches Niveau aufbauen . Kollisionen von Neutronensternen könnten jedoch so selten sein, dass die meisten Zwerggalaxien nie ein solches Ereignis beherbergt haben, und dies könnte erklären, warum die meisten Zwerggalaxien keine schweren Elemente enthalten.
Es sieht so aus, als ob die Zwerggalaxie Reticulum II einfach der Gewinner der Neutronensternkollisionslotterie ist. Alle darin enthaltenen schweren Elemente wurden wahrscheinlich in einem einzigen solchen Ereignis produziert. Dies liefert wichtige Indizien dafür, dass vor langer Zeit auch die meisten schweren Elemente in unserer Umwelt auf diese Weise entstanden sind.
Die Tabelle (oben) zeigt den Ursprung jedes Elements im Periodensystem gemäß der modernen Astrophysik. (Das Diagramm zeigt nur den letzten Prozess, in dem ein bestimmter Kern geschmiedet wird. Die meisten Kerne entstehen nach einer Abfolge von möglicherweise sehr unterschiedlichen Prozessen. Zum Beispiel entstehen Borkerne, wenn kosmische Strahlen auf Kohlenstoffkerne treffen und ein Proton, aber den Kohlenstoff entfernen Kern wäre in einer Stern- oder Supernova-Explosion entstanden.)
Ihr Goldring
Es ist eine erstaunliche Tatsache, dass alle Atome in Ihrem Körper, außer den Wasserstoffatomen, innerhalb eines Sterns entstanden sein müssen. Es ist vielleicht noch unglaublicher, dass die Atome im Goldring an Ihrem Finger bei einer Neutronensternkollision entstanden sind. Und was ist mit den langen Gammastrahlenausbrüchen? Das ist ein Thema für das nächste Kapitel.