ERSTES KOSMISCHES EREIGNIS, DAS SOWOHL IN GRAVITATIONSWELLEN ALS AUCH IN LICHT BEOBACHTET WURDE

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Vor ungefähr 130 Millionen Jahren kollidierten in einer weit entfernten Galaxie zwei Neutronensterne. Dieses Ereignis ist nun die fünfte Beobachtung von Gravitationswellen durch das Laserinterferometer Gravitationswellenobservatorium (LIGO) und die Zusammenarbeit von Virgo und die erste Entdeckung, die nicht durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher verursacht wurde.

Aber dieses Ereignis - Kilonova genannt - erzeugte noch etwas anderes: Licht über mehrere Wellenlängen.

Zum ersten Mal in der Geschichte wurde ein astronomisches Phänomen zuerst durch Gravitationswellen beobachtet und dann mit Teleskopen beobachtet. In einer unglaublich gemeinsamen Anstrengung arbeiteten über 3.500 Astronomen mit 100 Instrumenten an über 70 Teleskopen auf der ganzen Welt und im Weltraum mit Physikern aus der Zusammenarbeit von LIGO und Virgo zusammen.

Wissenschaftler nennen dies "Multimessenger-Astronomie".

"Zusammen sind all diese Beobachtungen größer als die Summe ihrer Teile", sagte Laura Cadonati, stellvertretende Sprecherin von LIGO, heute bei einem Briefing. "Wir lernen jetzt etwas über die Physik des Universums, über die Elemente, aus denen wir bestehen, auf eine Weise, die noch niemand zuvor getan hat."

"Es wird uns einen Einblick geben, wie Supernova-Explosionen funktionieren, wie Gold und andere schwere Elemente entstehen, wie die Kerne in unserem Körper funktionieren und wie schnell sich das Universum ausdehnt", sagte Manuela Campanelli vom Rochester Institute of Technology. „Die Multimessenger-Astronomie zeigt, wie wir den alten Weg mit dem neuen verbinden können. Es hat die Art und Weise, wie Astronomie betrieben wird, verändert. “

Neutronensterne sind die zerkleinerten Restkerne massereicher Sterne, die vor langer Zeit als Supernovae explodierten. Die beiden Sterne, die sich in einer Galaxie namens NGC 4993 nahe beieinander befinden, begannen zwischen dem 8-20-fachen der Masse unserer Sonne. Dann mit ihren Supernovas, die sich jeweils auf einen Durchmesser von etwa 10 Meilen von der Größe einer Stadt verdichteten. Dies sind Sterne, die vollständig aus Neutronen bestehen und in Größe und Dichte zwischen normalen Sternen und Schwarzen Löchern liegen - nur ein Teelöffel Neutronensternmaterial würde 1 Milliarde Tonnen wiegen.

Sie drehten sich in einem kosmischen Tanz umeinander, bis ihre gegenseitige Schwerkraft sie kollidieren ließ. Diese Kollision erzeugte einen Feuerball von astronomischen Ausmaßen und die Auswirkungen dieses Ereignisses kamen 130 Millionen Jahre später auf die Erde.

„Während dieses Ereignis vor 130 Millionen Jahren stattfand, haben wir dies erst am 17. August 2017, kurz vor der Sonnenfinsternis, auf der Erde erfahren“, sagte Andy Howell vom Las Cumbres Observatory heute bei einer Pressekonferenz. "Wir haben das die ganze Zeit geheim gehalten und stehen kurz vor der Pleite!"

Um 8:41 Uhr EDT spürten LIGO und Virgo das frühe Zittern der Wellen der Raumzeit und der Gravitationswellen. Nur zwei Sekunden später wurde vom Fermi-Weltraumteleskop der NASA ein heller Blitz von Gammastrahlen entdeckt. Dadurch konnten die Forscher schnell die Richtung bestimmen, aus der die Wellen kamen.

Durch ein Astronomentelegramm alarmiert, versuchten Tausende von Astronomen auf der ganzen Welt, Beobachtungen zu machen und zusätzliche Daten aus der Neutronensternfusion zu sammeln.

Diese Animation zeigt, wie LIGO, Virgo sowie weltraum- und bodengestützte Teleskope den Ort der Gravitationswellen vergrößerten, die am 17. August 2017 von LIGO und Virgo entdeckt wurden. Durch die Kombination von Daten aus den Weltraummissionen Fermi und Integral mit Daten aus LIGO und Virgo konnten die Wissenschaftler die Quelle der Wellen auf einen 30-Quadrat-Grad-Himmelsfleck beschränken. Teleskope mit sichtbarem Licht durchsuchten eine große Anzahl von Galaxien in dieser Region und enthüllten schließlich, dass NGC 4993 die Quelle von Gravitationswellen ist. (Dieses Ereignis wurde später als GW170817 bezeichnet.)

"Dieses Ereignis hat die bisher genaueste Himmelslokalisierung aller erkannten Gravitationswellen", sagte Jo van den Brand, Sprecher der Virgo-Zusammenarbeit, in einer Erklärung. "Diese Rekordgenauigkeit ermöglichte es Astronomen, Nachbeobachtungen durchzuführen, die zu einer Vielzahl atemberaubender Ergebnisse führten."

Dies ist der erste echte Beweis dafür, dass sich Licht- und Gravitationswellen mit derselben Geschwindigkeit - nahe der Lichtgeschwindigkeit - bewegen, wie Einstein vorausgesagt hat.

Es waren Observatorien von den kleinsten bis zu den bekanntesten beteiligt, die schnell Beobachtungen machten. Während das Ereignis zunächst hell war, verblasste es in weniger als 6 Tagen. Howell sagte, das beobachtete Licht sei in den ersten Stunden 2 Millionen Mal heller als die Sonne gewesen, aber es sei dann über einige Tage verblasst.

Die Dark Energy Camera (DECam), die am 4-Meter-Teleskop Blanco am Interamerikanischen Observatorium Cerro Tololo in den chilenischen Anden montiert ist, war eines der Instrumente, mit denen die Quelle des Ereignisses lokalisiert werden konnte.

"Die Herausforderung, der wir uns jedes Mal stellen müssen, wenn die LIGO-Zusammenarbeit einen neuen Beobachtungsauslöser auslöst, besteht darin, wie wir nach einer Quelle suchen, die schnell verblasst, möglicherweise anfangs schwach war und sich irgendwo dort befindet", sagte Marcelle Soares-Santos , von der Brandeis University beim Briefing. Sie ist die erste Autorin des Papiers, die das optische Signal beschreibt, das mit den Gravitationswellen verbunden ist. "Es ist die klassische Herausforderung, eine Nadel im Heuhaufen zu finden, mit der zusätzlichen Komplikation, dass die Nadel weit entfernt ist und sich der Heuhaufen bewegt."

Mit der DECam konnten sie schnell die Quellgalaxie bestimmen und 1.500 andere Kandidaten ausschließen, die in diesem Heuhaufen vorhanden waren.

„Dinge, die wie diese‚ Nadeln 'aussehen, sind sehr verbreitet, daher müssen wir sicherstellen, dass wir die richtige haben. Wir sind uns heute sicher, dass wir das haben “, fügte Soares-Santos hinzu.

In der sehr kleinen Abteilung half auch ein kleines 16-Zoll-Roboterteleskop namens PROMPT (Panchromatic Robotic Optical Monitoring and Polarimetry Telescope), das der Astronom David Sand von der University of Arizona unter „im Grunde genommen ein aufgemotztes Amateurteleskop“ beschrieb die Quelle. Sand sagte, dies beweise, dass selbst kleine Teleskope in der Multimessenger-Astronomie eine Rolle spielen können.

Das bekannte wird von Hubble und mehreren anderen NASA- und ESA-Weltraumobservatorien wie den Missionen Swift, Chandra und Spitzer geleitet. Hubble nahm Bilder der Galaxie im sichtbaren und infraroten Licht auf und erlebte ein neues helles Objekt in NGC 4993, das heller als eine Nova, aber schwächer als eine Supernova war. Die Bilder zeigten, dass das Objekt während der sechs Tage der Hubble-Beobachtungen merklich verblasste. Mithilfe der spektroskopischen Fähigkeiten von Hubble fanden die Teams auch Hinweise darauf, dass Material von der Kilonova mit einer Geschwindigkeit von einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wird.

"Dies ist ein Wegbereiter für die Astrophysik", sagte Howell. "Hundert Jahre nachdem Einstein Gravitationswellen theoretisiert hat, haben wir sie gesehen und bis zu ihrer Quelle zurückverfolgt, um eine Explosion mit neuer Physik zu finden, von der wir bisher nur geträumt haben."

Hier sind nur einige der Erkenntnisse, die dieses einzelne Ereignis mithilfe der Multimessenger-Astronomie gewonnen hat:

* Gamma Strahlen: Diese Lichtblitze sind jetzt definitiv mit der Verschmelzung von Neutronensternen verbunden und werden Wissenschaftlern helfen, herauszufinden, wie Supernova-Explosionen funktionieren, erklärte Richard O’Shaughnessy, ebenfalls vom Rochester Institute of Technology und Mitglied des LIGO-Teams. "Die ersten Gammastrahlenmessungen in Kombination mit der Gravitationswellendetektion bestätigen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die vorhersagt, dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten sollten", sagte er.

* Die Quelle von Gold und Platin: „Diese Beobachtungen zeigen die direkten Fingerabdrücke der schwersten Elemente im Periodensystem“, sagte Edo Berger vom Harvard Smithsonian Center for Astrophysics beim Briefing. „Die Kollision der beiden Neutronensterne erzeugte allein in Gold und Platin die zehnfache Masse der Erde. Denken Sie darüber nach, wie diese Materialien, wenn sie aus diesem Ereignis herausfliegen, sich schließlich mit anderen Elementen verbinden, um Sterne, Planeten, Leben… und Schmuck zu bilden. “

Berger fügte noch etwas hinzu, worüber man nachdenken sollte: Die ursprünglichen Supernova-Explosionen dieser Sterne erzeugten alle schweren Elemente bis hin zu Eisen und Nickel. Dann können wir in der Kilonova in diesem einen System die vollständige Geschichte der Entstehung des Periodensystems der schweren Elemente sehen.

Howell sagte, wenn Sie die Signaturen der schweren Elemente in ein Spektrum aufteilen, erstellen Sie einen Regenbogen. "Am Ende des Regenbogens befand sich also wirklich ein Topf voll Gold, zumindest ein Kilonova-Regenbogen", scherzte er.

* Kernphysik Astronomie: "Irgendwann werden uns weitere Beobachtungen wie diese Entdeckung zeigen, wie die Kerne in unserem Körper funktionieren", sagte O’Shaughnessy. "Die Auswirkungen der Schwerkraft auf Neutronensterne werden uns sagen, wie sich große Neutronenbälle verhalten, und folglich kleine Neutronen- und Protonenkugeln - das Material in unserem Körper, das den größten Teil unserer Masse ausmacht." und

* Kosmologie: - "Wissenschaftler können jetzt unabhängig messen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, indem sie die Entfernung zur Galaxie vergleichen, die das helle Licht und die Entfernung enthält, die aus unserer Gravitationswellenbeobachtung abgeleitet wurden", sagte O’Shaughnessy.

"Die Fähigkeit, dasselbe Ereignis sowohl mit Gravitationswellen als auch mit Licht zu untersuchen, ist eine echte Revolution in der Astronomie", sagte der Astronom Tony Piro von der CfA. "Wir können jetzt das Universum mit völlig anderen Sonden studieren, was Dinge lehrt, die wir mit nur der einen oder anderen niemals wissen könnten."

"Für mich war dieses Ereignis so erstaunlich, dass wir nicht nur Gravitationswellen detektierten, sondern auch Licht über das elektromagnetische Spektrum sahen, das von 70 Observatorien auf der ganzen Welt gesehen wurde", sagte David Reitz, wissenschaftlicher Sprecher von LIGO, in der heutigen Presse Einweisung. „Dies ist das erste Mal, dass der Kosmos uns Filme mit Ton zur Verfügung stellt. Das Video ist die Beobachtungsastronomie über verschiedene Wellenlängen und der Schall sind Gravitationswellen. “

Quellen: Las Cumbres Observatorium, Hubble-Weltraumteleskop, Rochester Institute of Technology, Kilonova.org, CfA, Pressekonferenz.