Astronomen treffen auf kosmisches Gold und bestätigen damit die Herkunft von Edelmetallen bei der Fusion von Neutronensternen

Die erste Entdeckung von Gravitationswellen aus der kataklysmischen Fusion zweier Neutronensterne und der Beobachtung des sichtbaren Lichts nach der Verschmelzung, beantwortet eine langjährige Frage in der Astrophysik: Woher kommen die schwersten Elemente, von Silber über Gold und anderen wertvollen Metallen bis hin zu Uran?

Basierend auf der Helligkeit und der Farbe des Lichts, das nach der Fusion emittiert wurde, und das den theoretischen Vorhersagen der Physiker von der Universität von Kalifornien, Berkeley und den Lawrence Berkeley Laboratorien sehr nahe kommt, können Astronomen jetzt sagen, dass das Gold oder Platin in den Pretiosen höchstwahrscheinlich während einer kurzen aber heftigen Fusion zweier einander umkreisender Neutronensterne irgendwo im Universum geschmiedet wurde.

Dies ist der erste Nachweis für eine Fusion von Neutronensternen mit dem Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) und dem Virgo-Detektor in Italien. LIGO hatte schon zuvor vier solcher Fusionen aus schwarzen Löchern entdeckt und VIRGO eine, aber solche Ereignisse sollten komplett dunkel sein. Dies ist das erste Mal, dass Licht mit einer Quelle von Gravitationswellen assoziiert werden konnte.

„Wir haben jahrelang daran gearbeitet um vorhersagen zu können, wie das Licht einer Neutronenstern-Fusion aussieht“, sagte Daniel Kasen, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der UC Berkeley und Wissenschaftler am Berkeley Lab. „Jetzt ist die theoretische Spekulation plötzlich zum Leben erwacht.“

Die Neutronenstern-Fusion namens GW170817 wurde am 17. August entdeckt und sofort wurde dies an Beobachter auf der ganzen Welt telegraphiert, die ihre kleinen und großen Teleskope auf jene Himmelsregion drehten, aus der sie kam. Die Kräuselungen in der Raumzeit, die LIGO/Virgo gemessen haben, deutete auf eine Neutronenstern-Fusion hin, da jeder Stern des Doppelsystems zwischen dem 1- und 2-fachen der Masse unserer Sonne wog. Neutronensterne sind neben schwarzen Löchern die dichtesten bekannten Objekte im Universum. Sie entstehen, wenn massereiche Sterne ihren „Treibstoff“ verbraucht haben und in sich selbst zusammenbrechen. Im Endeffekt entsteht eine Kugel von etwa 10 bis 15 Kilometern Durchmesser, in der etwa eine Sonnenmasse komprimiert ist.

Nur 1,7 Sekunden nach den Aufzeichnungen der Gravitationswellen hat das Fermi-Weltraumteleskop einen kurzen Gammastrahlen-Ausbruch aus derselben Region entdeckt, was darauf hinweist, dass während der Fusion von Neutronensternen konzentrierte Energiestrahlen entstehen. Weniger als 11 Sekunden später erhaschten die Beobachter einen ersten Blick auf sichtbares Licht von der Quelle. Lokalisiert wurde die Quelle in der Galaxie NGC 4993, die sich etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbildes Hydra befindet.

Der Nachweis einer Neutronenstern-Fusion war eine Überraschung, da Neutronensterne viel kleiner als schwarze Löcher sind und ihre Fusionen viel schwächere Gravitationswellen erzeugen als Fusionen von schwarzen Löchern. Berkeley-Professor für Astronomie und Physik Eliot Quataert meinte: „Wir hofften, in den kommenden Jahre mit LIGO eine Neutronenstern-Fusion zu finden, aber sie so nahe – für Astronomen – zu sehen und so hell im normalen Licht, hat all unsere kühnsten Erwartungen übertroffen. Und noch erstaunlicher war als sich herausstellte, dass die meisten unserer Vorhersagen, wie Fusionen von Neutronensternen in normalen Teleskopen aussehen würden, richtig waren!“

Die LIGO/Virgo Beobachtungen von Gravitationswellen und der Nachweis ihres optischen Gegenstücks wurden am 16. Oktober im National Press Club in Washington D.C bei einer Pressekonferenz diskutiert. Und es wurden ein Dutzend Papers über die Beobachtungen online von Nature, Science und den Astrophysical Journal Letter veröffentlicht.

Entstehung der Elemente

Während Wasserstoff und Helium vor 13.8 Milliarden Jahren im Urknall entstanden sind, wurden schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff im Inneren der Sterne durch nukleare Fusion gebildet. Aber bei diesem Prozess können nur Elemente bis hin zum Eisen entstehen. Die Bildung der schwersten Elemente benötigt eine spezielle Umgebung, in welcher Atome wiederholt von freien Neutronen bombardiert werden. Wenn Neutronen an den Atomkernen kleben bleiben, werden Elemente aufgebaut, die höher im Periodensystem stehen.

Wo und wie dieser Produktionsprozess von schweren Elementen stattfindet, war eine der ältesten Fragen in der Astrophysik. Die jüngste Aufmerksamkeit hat sich auf Fusionen von Neutronensternen gerichtet, bei der die Kollision der beiden Sterne Wolken aus neutronenreicher Materie in den Weltraum schleudert, wo sie sich zu schweren Elementen zusammenfügen können.

Spekulationen, dass Astronomen vielleicht Licht von solch schweren Elementen sehen können, geht bis in die 1990er Jahre zurück. Aber die Idee geriet in Vergessenheit, bis Brian Metzger, damals ein frisch gebackener Doktorand an der UC Berkeley, nun Professor für Astrophysik an der Universität Columbia und Co-Autor einer Arbeit mit Quataert und Kasen, in der sie die Radioaktivität der Neutronenstern-Trümmer errechneten und deren Helligkeit zum ersten Mal abschätzten.

„Die Trümmerwolke dehnt sich in den Weltraum aus, und der Zerfall der radioaktiven Elemente hält sie heiß und lässt sie leuchten“, sagte Metzger.

Metzger, Quataert, Kasen und Mitarbeiter zeigten, dass das Licht von einer Neutronenstern-Fusion ungefähr tausendmal heller ist als das einer normalen Nova-Explosion in unserer Galaxie. Dies motivierte die Forscher, diese exotischen Blitze „Kilo-Novae“ zu nennen.

Dennoch blieb die grundlegende Frage bestehen, wie eine Kilo-Nova aussehen würde.

„Neutronenstern-Fusionstrümmer sind seltsames Material – eine Mischung aus Edelmetallen und radioaktiven Abfällen“, sagte Kasen.

Astronomen kennen keine vergleichbaren Phänomene, also mussten sich Kasen und Mitarbeiter an die Grundlagenphysik wenden und mathematische Gleichungen lösen, die die Quantenstruktur von Schweratomen beschreiben und wie sie Licht emittieren und absorbieren.

Jennifer Barnes, eine Einstein-Poststipendiatin an der Columbia, arbeitete als Berkeley-Studentin bei Kasen, um einige der ersten detaillierten Vorhersagen darüber zu erstellen, wie eine Kilo-Nova aussehen sollte.

„Bei der Berechnung der Opazität (Undurchsichtigkeit) der Elemente, die bei einer Neutronnenstern-Fusion gebildet werden, fanden wir eine große Variation. Die helleren Elemente ähnelten optisch den Elementen, die in Supernovae gefunden wurden, aber die schwereren Atome waren mehr als hundertmal opaker als das, was wir zu sehen gewohnt sind bei astrophysikalischen Explosionen,“ sagte Barnes. „Wenn schwere Elemente in den Trümmern der Fusion vorhanden sind, sollte ihre hohe Opazität einer Kilo-Nova einen rötlichen Farbton geben.“

„Ich denke, wir haben die gesamte Astrophysik-Gemeinschaft durcheinandergebracht, als wir das zum ersten Mal angekündigt haben“, sagte Kasen. „Wir haben vorhergesagt, dass eine Kilo-Nova relativ schwach und rötlicher als rot sein sollte, was bedeutet, dass es unglaublich schwierig wäre, eine Kilo-Nova zu finden. Auf der positiven Seite hatten wir einen entscheidenden Hinweis definiert; man erkennt frisch produzierte schwere Elemente an ihrer unverwechselbaren roten Farbe.“

Genau dies haben Astronomen beobachtet.

Eine gewagte Vorhersage

Die August-LIGO/Virgo Entdeckung einer Neutronenstern-Fusion bedeutete, dass der Gerichtstag für die Theoretiker früher als erwartet kommen würde“, sagte Kasen.

„Die Idee einer Kilo-Nova hatte jahrelang nur in unserer theoretischen Vorstellung und unseren Computermodellen bestanden“, sagte er. „Angesichts der komplexen Physik und der Tatsache, dass wir im Wesentlichen keinen Beobachtungs-Input hatten, an dem wir uns orientieren hätten können, war es eine wahnsinnig gewagte Vorhersage – die Theoretiker haben sich da wirklich weit aus dem Fenster gelehnt“.

Aber als die Bilder in den folgenden Nächten eintrafen, begannen sie sich zu einem überraschend vertrauten Bild zusammenzufügen.

In den ersten Beobachtungs-Nächten war die Farbe des Fusionsereignisses relativ blau mit einer Helligkeit, die den Vorhersagen für Kilo-Nova-Modellen auffallend gut entsprach, falls die äußeren Schichten der Fusions-Trümmer aus weniger kostbaren Elementen wie z. B. Silber bestehen. In den folgenden Tagen wurde die Emission jedoch immer röter, ein Hinweis, dass die inneren Schichten der Trümmerwolke auch die schwersten Elemente wie Platin, Gold und Uran enthalten.

„Die vielleicht größte Überraschung war, wie gut das visuelle Signal im Vergleich zu unseren theoretischen Erwartungen war“, stellte Metzger fest. „Niemand hat je zuvor eine Neutronenstern-Fusion so relativ nahe gesehen: Das gesamte Bild eines solchen Ereignisses zusammen zubringen verlangt ein breites Spektrum an Physik – die allgemeine Relativitätstheorie, Hydrodynamik, Kernphysik und Atomphysik. Eine Vorhersage die der Realität der Natur entspricht ist ein wahrer Triumph für die theoretische Astrophysik.“

Kasen und seine Kollegen haben aktualisierte Kilo-Nova-Modelle und theoretische Interpretationen der Beobachtungen in einem Paper präsentiert, das am 16. Oktober in Journal Nature veröffentlicht wurde. Ihre Modelle werden auch verwendet, um einen umfangreichen Satz von Daten zu analysieren, die in sieben zusätzlichen Arbeiten in Nature, Science und im Astrophysical Journal erschienen sind.

Die Beobachtungen bestätigten nicht nur die theoretischen Vorhersagen, die Modellierung ermöglichte es Kasen und seine Kollegen, die Menge und chemische Zusammensetzung des produzierten Materials zu berechnen. Die Wissenschaftler folgerten, dass rund 6 Prozent einer Sonnenmasse in schwere Elemente umgewandelt wurden. Die Ausbeute an Gold allein betrug etwa 200 Erdmassen und die an Platin fast 500 Erdmassen.

Ursprünglich glaubten Astrophysiker, dass gewöhnliche Supernovae für die schweren Elemente verantwortlich sein könnten, aber es gab immer Probleme mit dieser Theorie, sagte Co-Autor Enrico Ramirez-Ruiz, Professor für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz. Laut Ramirez-Ruiz stützen die neuen Beobachtungen die Theorie, dass Neutronenstern-Fusionen für das gesamte Gold im Universum verantwortlich sein könnten, sowie für etwa die Hälfte aller anderen Elemente, die schwerer als Eisen sind.

Die Arbeiten von Kasen wurden vom US-Energieministerium unterstützt und die Simulationen wurden durch die Ressourcen des wissenschaftlichen Rechenzentrums der Nationalen Energieforschung (NERSC) ermöglicht. Unterstützt wurde die Arbeit von Kasen und Quataert durch die Gordon und Betty Foundation. Quataert wurde auch von der Simons Foundation unterstützt.


20. Oktober 2017/SP
Verein Kuffner-Sternwarte