TUM – Technische Universität München Menü
Künstlerische Umsetzung der Kollision zweier Neutronensterne.
Nach einer Kollision von Neutronensternen in der Galaxie NGC4993 waren auch 130 Millionen Lichtjahre entfernt Gravitationswellen und ein sprunghafter Anstieg der Gammastrahlung messbar. (Bild: ESO)
  • Forschung

Neutronenstern-Kollision: Pendants zum Gravitationswellen-Signal beobachtet

Durchbruch für eine Multi-Messenger Astronomie

Zum ersten Mal ist es gelungen, Signale von elektromagnetischen und Gravitationswellen aus der Kollision zweier Neutronensterne zu messen. Physiker des von der Technischen Universität München (TUM) geführten Sonderforschungsbereichs 1258 „Neutrinos und Dunkle Materie“ konnten die Nachwirkungen dieses Ereignisses aufzeichnen. Erstmals können nun Theorien zum genauen Verlauf der Verschmelzung überprüft werden – und die theoretischen Modelle zu den Größen, Massen und Materieeigenschaften von Neutronensternen.

Die Verschmelzung von zwei Neutronensternen ereignete sich in der Galaxie NGC4993, rund 130 Millionen Lichtjahre entfernt von der Erde. Die Gravitationswellen dieses gewaltigen Ereignisses wurden von dem amerikanischen Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) und seinem europäischen Schwesterinstrument VIRGO am 17. August 2017 aufgezeichnet (GW170817). Begleitet wurde dieses Ereignis von einem kurzen, weniger als zwei Sekunden dauernden Gammastrahlenausbruch (Gamma-ray burst) (GRB170817A).

Mithilfe dieser Beobachtung können die Physiker einer fundamentalen Frage der Physik einen Schritt näherkommen: der nach dem Zustand der Materie in einem Neutronenstern. Neutronensterne sind die kleinsten und dichtesten Sterne, von deren Existenz wir wissen. Als Endzustand des Kollapses eines massereichen Sternes haben Neutronensterne einen typischen Radius von 10 bis 20 Kilometern, bei etwa zweifacher Masse der Sonne. Modellen zufolge bestehen sie fast vollständig aus Neutronen – aufgrund der enormen Dichte wurden die Elektronen der Atomhüllen in die Atomkerne gequetscht und haben die dortigen Protonen in Neutronen umgewandelt.

Abstoßende Kernkräfte verhindern den weiteren Kollaps

Einen weiteren Kollaps der Materie verhindern abstoßende starke Kernkräfte zwischen den Neutronen. „Bisher wissen wir jedoch noch fast nichts über die genaue Zusammensetzung und die Teilchenwechselwirkungen der Materie unter so extremen Bedingungen“, sagt Laura Fabbietti, Professorin für dichte und seltsame hadronische Materie an der TUM und Hauptwissenschaftlerin des Sonderforschungsbereichs. Sie erforscht seit Jahren die physikalischen Eigenschaften von Materie in Neutronensternen. „Nun können wir erstmals unsere Theorien überprüfen.“

Ein kurzer Gammastrahlenausbruch

Beobachtet werden konnte die Kollision mit den beiden am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gebauten Detektoren, Fermi-GBM sowie dem Spektrometer des Weltraumobservatoriums INTEGRAL. „Als Ursprung eines solchen charakteristischen kurzen Gammastrahlenausbruchs werden seit 30 Jahren verschmelzende Neutronensterne vermutet“, sagt PD Dr. Jochen Greiner vom MPE, einer der Hauptwissenschaftler des Sonderforschungsbereiches 1258. „Jetzt haben wir erstmals eine eindeutige Bestätigung für diese Modellvorstellung.“

Das Leuchten einer Kilonova

Auch erwarten die Physiker ein über Tage andauerndes Leuchten im Bereich des optischen/nahen Infrarot-Lichts, das Astronomen als Kilonova bezeichnen: In alle Richtungen wird in Folge des Verschmelzungsprozesses Materie ausgeschleudert, vor allem Neutronen und in geringer Anzahl Protonen und Helium-Atomkerne. Innerhalb weniger Sekunden wandeln sich die Helium-Kerne durch Verschmelzung, weitere Neutroneneinfänge und nachfolgende radioaktive Zerfälle und Spaltungsreaktionen in schwere Elemente mit hohen Atommassenzahlen um.

Zerfallende radioaktive Elemente

Die neu entstandenen radioaktiven Atomkerne zerfallen in stabile Elemente und senden dabei bis zu zehn Tage lang Gammastrahlung aus, die ihrerseits das ausgeworfene Material heizt und zu einer breitbandigen elektromagnetischen Emission führt. Auch diese Kilonova wurde von mehreren unabhängig arbeitenden Astronomen-Gruppen innerhalb von 12 Stunden in dem etwa 100 Quadratgrad großen Fehlerbereich des Gravitationswellenereignisses aufgespürt.

„Diese Beobachtungen bestätigen die theoretischen Vorstellungen über das Verschmelzen von Neutronensternen und die dabei auftretenden energiereichen Prozesse, wie das Ausschleudern erheblicher Mengen radioaktiver Materie“, sagt Jochen Greiner.

„Vor allem aber liefern sie neue Einsichten zur Entstehung der schwersten Elemente“, ergänzt Prof. Hans-Thomas Janka vom MPA, ebenfalls einer der Hauptwissenschaftler des SFB1258, der sich seit langem mit den theoretischen Modellen von Neutronensternen, Supernovae und Gammastrahlenausbrüchen befasst.

Kein signifikantes Neutrino-Signal

Weitere kosmische Zeugen eines so hochenergetischen Ereignisses wie eine Neutronenstern-Verschmelzung können Neutrinos sein. Allerdings konnten die Wissenschaftler der IceCube-Kollaboration, die am Südpol das weltweit größte Neutrino-Teleskop betreiben, kein signifikantes Signal entdecken. Die Erklärung dafür ist einfach: „Das Ereignis war zu weit weg“, erklärt Elisa Resconi, Professorin für Experimentalphysik mit kosmischen Teilchen an der TUM und Sprecherin des SFB1258. „Neutrinos sind sehr flüchtige Teilchen. Bei solch großen Entfernungen können wir mit unseren Detektoren die Boten solcher Ereignisse kaum mehr aufspüren. Aber wir hoffen darauf, dass IceCube von zukünftigen Ereignissen Neutrino-Signale detektieren wird.“

Beginn einer Gravitationswellen-Astronomie

Seit dem vergangenen Jahr wurden bereits mehrfach Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern gemessen, was mit dem Nobelpreis für Physik 2017 gewürdigt wurde. Das nun bekannt gegebene Ereignis markiert einen weiteren, entscheidenden Durchbruch hin zu einer Multi-Messenger-Astronomie: „Mit Hilfe von Gravitationswellen sind nun eine Vielzahl an neuen, zur klassischen Astronomie komplementären Messungen möglich, und damit sind Antworten auf bislang unbeantwortete Fragen in Reichweite gerückt“, sagt Elisa Resconi. Dies wird die Forschung am Münchner SFB1258 maßgeblich beeinflussen.

Originalveröffentlichungen:

Antares, IceCube, Pierre Auger, LIGO Scientific and Virgo Collaborations: Search for High-Energy Neutrinos from Binary Neutron Star Merger GW170817 with Antares, IceCube and the Pierre Auger Observatory, eingereicht bei The Astrophysical Journal

S.J. Smartt et al.: A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational wave source, Nature, 16 October 2017, 16:00 CEST, DOI: 10.1038/nature24303

Forschung zu Gravitationswellen Beim Tag der offenen Tür

Beim Tag der offenen Tür am 21. Oktober 2017 haben neben der TUM Physik auch die beiden am SFB 1258 beteiligten Max-Planck-Institute sowie die ESO geöffnet. Im Vortragsprogramm der Exzellenzcluster gibt es zwei Vorträge zum Thema Gravitationswellen. Weitere Informationen zum Tag der offenen Tür finden Sie auf der Website www.forschung-garching.tum.de.

Kontakt:


Prof. Dr. Laura Fabbietti
Technische Universität München
SFB1258 Neutrinos und Dunkle Materie in Astro- und Teilchenphysik
Physik Department
James-Franck-Straße
85748 Garching
Tel: +49 89 289 12433
laura.fabbietti(at)ph.tum.de

PD Dr. Jochen Greiner
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Gießenbachstraße 1
85748 Garching
Tel: +49 89 30000-3847
jcg@mpe.mpg.de

Prof. Dr. Hans-Thomas Janka
Max-Planck-Institut für Astrophysik
Karl-Schwarzschild-Straße 1
85748 Garching
Tel: +49 89 30000-2228
thj@mpa-garching.mpg.de

Prof. Dr. Elisa Resconi
Technische Universität München
SFB1258 Neutrinos und Dunkle Materie in Astro- und Teilchenphysik
Physik Department
James-Franck-Straße
85748 Garching
Tel: +49 89 289 12422
elisa.resconi@tum.de

Pressekontakt:

Petra Riedel
Technische Universität München
SFB1258 Neutrinos und Dunkle Materie in Astro- und Teilchenphysik
Physik Department
James-Franck-Straße
85748 Garching
Tel: +49 89 289 12445
petra.riedel@tum.de

Corporate Communications Center

Technische Universität München Petra Riedel / Paul Hellmich
hellmich(at)zv.tum.de

Weitere Artikel zum Thema auf www.tum.de:

Illustration von zwei fusionierenden Neutronensternen. Aus der Kollision breiten sich Gravitationswellen aus, wenige Sekunden später ereignet sich ein Ausbruch von Gammastrahlen. Von den zusammenwachsenden Sternen werden wirbelnde Materialwolken ausgestoßen.

800 Milliarden Grad in der kosmischen Küche

Sie gehören zu den spektakulärsten Ereignissen im Universum: Kollisionen von Neutronensternen. Einem internationalen Forschungsteam mit maßgeblicher Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist es erstmals...

Die Kohnen-Station ist eine Containersiedlung in der Antarktis, aus deren Nähe die Schneeproben stammen, in denen Eisen-60 gefunden wurde.

Sternenstaub im antarktischen Schnee

Bei gewaltigen Sternenexplosionen entsteht das seltene Isotop Eisen-60. Nur eine sehr geringe Menge davon gelangt von fernen Sternen auf die Erde. Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Physikern der Technischen...

Prof. Elisa Resconi mit einem der im IceCube-Observatorium eingesetzten Photo-Detektoren. (Bild: Magdalena Jooß / TUM)

Liesel Beckmann-Professur für Elisa Resconi

Die Technische Universität München (TUM) hat der Neutrinophysikerin Prof. Elisa Resconi eine Liesel Beckmann-Professur verliehen. Die nach ihrer ersten Professorin benannte Auszeichnung hat die TUM 2012 eingerichtet. Sie...

444 illuminierte Lautsprecher verwandeln aktuelle Forschung in ein begehbares Kunstwerk. (Bild: T. O. Roth / imachination projects)

Geisterteilchen als faszinierende Lichter und Klänge

Ein faszinierendes Kunsterlebnis bietet die Technische Universität München (TUM) am Wochenende des 9. und 10. Februar 2019 in der „Reaktorhalle“ der Musikhochschule in der Luisenstraße 37a. Die Licht- und Klang-Installation...

Das IceCube Lab am Südpol unter den Sternen.

Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Ein Team um die Physikerin Prof. Elisa Resconi von der Technischen Universität München (TUM) liefert ein wichtiges Indiz in...

Cassiopeia A

TUM mit fünf Exzellenzclustern im Rennen

In den ersten zwei Runden der Exzellenzinitiative, 2006 und 2012, war die Technische Universität München (TUM) in allen Förderlinien erfolgreich. Jetzt nimmt sie ein drittes Mal Kurs auf das hochdotierte Förderprogramm für...

HE0435-1223, in der Mitte des Bildes, gehört zu den fünf besten Gravitationslinsen-Quasaren, die bisher entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt hier vier nahezu gleichmäßig verteilte Bilder des dahinter liegenden Quasars. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA

Der kosmische Blick um die Ecke

Indem sie Galaxien als riesigen Gravitationslinsen nutzten, führte eine internationale Gruppe von Astronomen um Max Planck@TUM-Professorin Sherry Suyu eine unabhängige Messung der Hubble-Konstante durch, die beschreibt, wie...

Neutrino-Ereignisse gemessen mit dem IceCube-Observatorium am Südpol - Bild: IceCube Konsortium

Neuer Sonderforschungsbereich an der TUM

Neutrinos und Dunkle Materie stehen im Mittelpunkt der Forschung eines neuen Sonderforschungsbereichs (SFB) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Sprecherin des SFBs ist Elisa Resconi, Professorin für...

Blick auf den Sternenhimmel. Wenn ein massereicher Stern sein Leben beendet, kommt es zu einer Supernova.

Supernova-Signal in Mikrofossilien der Erde

Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) ist es mit Hilfe von versteinerten Nanokristallen aus Bohrproben des Pazifischen Ozeans erstmals gelungen, den Verlauf der Anlagerung von Spuren einer Supernova auf...

Einbau von Detektormodulen in das CRESST-Experiment (Foto: MPP)

Mit CRESST auf der Suche nach "Leichtgewichten"

Die Erde, Planeten, Sterne und Galaxien bilden nur den sichtbaren Teil der Materie im Universum. Den weitaus größeren Teil nimmt die unsichtbare Dunkle Materie ein. In zahlreichen Experimenten fahnden Wissenschaftler nach...

Blick in den magnetisch abgeschirmten Messraum, Prof. Peter Fierlinger (l) und Mitautor Michael Sturm - Foto: Astrid Eckert / TUM

Das kleinste Magnetfeld im Sonnensystem

Magnetfelder durchdringen Materie problemlos. Einen Raum zu schaffen, in dem es praktisch keine magnetischen Felder mehr gibt, ist daher eine große Herausforderung. Ein internationales Team von Physikern hat nun eine...