Logo

ESO-Teleskope beobachten erstes Licht einer Gravitationswellen-Quelle
Verschmelzende Neutronensterne verstreuen Gold und Platin im Weltraum

Geschrieben am 16.10.2017, 16:45:00 in Kategorie: Astronomie

Teleskope der ESO in Chile haben zum ersten Mal im sichtbaren Licht eine Quelle von Gravitationswellen vermessen können. Diese geschichteschreibenden Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Verschmelzung zweier Neutronensterne die Gravitationswellen verursacht hat. Im Zuge der katastrophalen Folgen dieser Art von Verschmelzung — seit langem vorhergesagte Ereignisse, die als Kilonovae bezeichnet werden — werden schwere Elemente wie Gold und Platin im Universum verteilt. Die Entdeckung, die in mehreren Fachartikeln präsentiert wird, die u.a. in der Fachzeitschrift Nature erscheinen, liefert auch den bisher stärksten Beweis, dass kurzlebige Gammastrahlenausbrüche durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstehen.

Zum ersten Mal überhaupt haben Astronomen sowohl Gravitationswellen als auch Licht (also elektromagnetische Strahlung) von ein und demselben Ereignis beobachten können. Möglich war das nur durch gemeinsame Bemühungen im Rahmen einer weltweiten Kollaboration sowie der schnellen Reaktion von Instituten auf der ganzen Welt, darunter auch Einrichtungen der ESO.

Am 17. August 2017 wies das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) der NSF in den Vereinigten Staaten zusammen mit dem Virgo-Interferometer in Italien Gravitationswellen auf ihrem Weg durch die Erde nach. Das fünfte jemals beobachtete Ereignis dieser Art trägt seither den Namen GW170817. Etwa zwei Sekunden später gelang zwei Weltraumteleskopen, dem Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA und dem INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) der ESA in derselben Himmelsregion die Beobachtung eines kurzen Gammastrahlenausbruchs.

Das LIGO-Virgo-Netzwerk lokalisierte die Quelle zunächst innerhalb einer großen Region des südlichen Himmels, die der Fläche mehrerer hundert Vollmonde entspricht und Millionen von Sternen enthält. Als in Chile die Nacht hereinbrach, schauten viele Teleskope auf genau diesen Bereich des Himmels und suchten nach neuen Quellen. Dazu gehörten das Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) und das VLT Survey Telescope (VST) am Paranal-Observatorium, das italienische Rapid-Eye-Mount-Teleskop (REM) am La Silla-Observatorium der ESO, ein 0,4-Meter-Teleskop des Las Cumbres Observatory (LCO) und die amerikanische Dark Energy Camera (DECam) am Cerro Tololo Inter-American Observatory. Das Swope-1-Meter-Teleskop konnte als erstes einen neuen Lichtpunkt am Himmel vermelden. Dieser Punkt schien sehr nahe an NGC 4993 zu liegen, einer linsenförmigen Galaxie im Sternbild Wasserschlange (lat. Hydra). Fast zur selben Zeit gelang es den Forschern auch, mit VISTA die Quelle bei infraroten Wellenlängen genau zu lokalisieren. Während die Nacht weiter nach Westen wanderte, erfassten auch die Pan-STARRS- und Subaru-Teleskope auf Hawaii das Signal und beobachteten, wie es schnell stärker wurde.

Es kommt nur selten vor, dass ein Wissenschaftler Zeuge des Beginns einer neuen Ära werden kann“, kommentiert Elena Pian, Astronomin am INAF in Italien, und Erstautorin eines der Nature-Fachartikel. „Dies war eine solche Gelegenheit!

Die ESO startete eine der größten sogenannten “Target of Opportunity”-Kampagnen, also kurzfristig angesetzte Messungen außer der Reihe des eigentlichen Zeitplans, so dass viele Teleskope der ESO und ESO-Partnern das Objekt in den Wochen nach der Entdeckung beobachten konnten. Das Very Large Telescope (VLT) der ESO, das New Technology Telescope (NTT), das VST, das MPG/ESO-2,2-Meter-Teleskop und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) beobachteten alle dasselbe Ereignis und dessen Nachwirkungen über einen großen Wellenlängenbereich. Etwa 70 Observatorien auf der ganzen Welt schlossen sich den Beobachtungen an, einschließlich des Hubble-Weltraumteleskops von NASA/ESA.

Abschätzungen der Entfernung aus den Daten der Gravitationswelle und anderer Observatorien stimmen darin überein, dass die Quelle genau wie NGC 4993 etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Das würde bedeuten, dass es sich bis jetzt nicht nur um das uns nächstgelegene jemals beobachtete Gravitationswellen-Ereignis handelt, sondern auch um die uns nächste jemals beobachtete Quelle eines Gammastrahlenausbruchs.

Gravitationswellen entstehen durch sich bewegende Massen, allerdings können zurzeit nur diejenigen Wellen beobachtet werden, die aufgrund schneller Geschwindigkeitsänderungen sehr massereicher Objekte entstehen. Solch ein Ereignis ist der Verschmelzung zweier Neutronensterne, den extrem dichten, kollabierten Kernen massereicher Sterne, die nach einer Supernova übrigbleiben. Für die Erklärung kurzer Gammastrahlenausbrüche standen solche Verschmelzungen bisher an erster Stelle. Man geht davon aus, dass auf solch ein Ereignis eine Explosion folgt, die 1000 mal heller als eine normale Nova ist — deshalb werden solche Ereignisse als Kilonova bezeichnet.

Die beinahe zeitgleiche Entdeckung von Gravitationswellen und Gammastrahlen aus GW170817 nährt Hoffnungen, dass es sich bei diesem Objekt tatsächlich um solch eine Kilonova handelt, nach der man lange gesucht hat. Beobachtungen mit ESO-Teleskopen haben Kenndaten zum Vorschein gebracht, die mit den theoretischen Vorhersagen erstaunlich gut übereinstimmen. Kilonovae wurden vor mehr als 30 Jahren zum ersten Mal vorhergesagt und konnten nun erstmals durch Beobachtungen bestätigt werden.

Die Daten, die wir bisher haben, kommen der Theorie erstaunlich nahe. Es ist nicht nur ein Triumph für die Theoretiker und eine Bestätigung, dass die Ereignisse, die wir mit LIGO und Virgo gemessen haben, tatsächlich real sind, sondern auch ein Erfolg für die ESO, dass sie einen solch erstaunlichen Datensatz einer Kilonova sammeln konnte“, fügt Stefano Covino hinzu, Erstautor eines Fachartikels in Nature Astronomy.

Die große Stärke der ESO liegt darin, dass sie eine große Auswahl an Teleskopen und Instrumenten besitzt, um große und komplexe astronomische Projekte kurzfristig angehen zu können. Wir befinden uns jetzt in einer neuen Ära der Multi-Messenger-Astronomie!“ schlussfolgert Andrew Levan, Erstautor eines weiteren Fachartikels.

Quelle

ESO - Europäische Südsternwarte
Die "Europäische Organisation für astronomische Forschung in der südlichen Hemisphäre" oder auch kurz "Europäische Südsternwarte" ist ein Forschungsinstitut mit verschiedenen Observatorien.

Webseite: https://www.eso.org

Künstlerische Darstellung verschmelzender Neutronensterne
Diese künstlerische Darstellung zeigt zwei winzige, aber sehr dichte Neutronensterne an dem Punkt, an dem sie als Kilonova verschmelzen und explodieren. Solch ein seltenes Ereignis sollte sowohl Gravitationswellen als auch einen kurzen Gammastrahlenausbruch erzeugen, was beides am 17. August 2017 von LIGO-Virgo, bzw. Fermi/INTEGRAL beobachtet wurde. Nachfolgende detaillierte Beobachtungen mit mehreren ESO-Teleskopen bestätigten, dass es sich bei diesem Objekt in der Galaxie NGC 4993, etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, tatsächlich um eine Kilonova handelt. Solche Objekte sind im Universum die Hauptquelle für sehr schwere chemische Elemente wie Gold und Platin.
© ESO / L. Calçada / M. Kornmesser
VIMOS-Bild der Galaxie NGC 4993 mit dem Gegenstück zu einem verschmelzenden Neutronensternpaar im sichtbaren Licht
Dieses Bild vom VIMOS-Instrument am Very Large Telescope der ESO am Paranal-Observatorium in Chile zeigt die Galaxie NGC 4993, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Galaxie ist nicht ungewöhnlich, aber sie enthält etwas, was noch nie zuvor beobachtet wurde: die Nachwirkungen der Explosion eines Neutronensternpaares, ein seltenes Ereignis, das als Kilonova bezeichnet wird (oberhalb und etwas links vom Zentrum der Galaxie). Die Verschmelzung der Neutronensterne führte auch zu Gravitationswellen und Gammastrahlen, die von LIGO-Virgo bzw. Fermi/INTEGRAL detektiert wurden.
© ESO / A.J. Levan, N.R. Tanvir
Zusammenstellung von Bildern von NGC 4993 und der Kilonova mit verschiedenen ESO-Instrumenten
Diese Zusammenstellung enthält Bilder der Galaxie NGC 4993 von verschiedenen ESO-Teleskopen und Instrumenten. Sie alle zeigen eine schwache Lichtquelle in der Nähe des Zentrums. Dabei handelt es sich um eine Kilonova, die Explosion aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Diese Verschmelzung führte zu Gravitationswellen, die von LIGO-Virgo detektiert wurden, und Gammastrahlen, die von Fermi und INTEGRAL im Weltraum detektiert wurden.
© VLT / VIMOS. VLT / MUSE, MPG / ESO 2.2-metre telescope / GROND, VISTA / VIRCAM, VST / OmegaCAM
VLT/MUSE-Bild der Galaxie NGC 4993 und der dazugehörigen Kilonova
Dieses Bild vom MUSE-Instrument am Very Large Telescope der ESO am Paranal-Observatorium in Chile zeigt die Galaxie NGC 4993, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Galaxie ansich ist nicht ungewöhnlich, aber sie enthält etwas, was noch nie zuvor beobachtet wurde: die Nachwirkungen der Explosion eines Neutronensternpaares, ein seltenes Ereignis, das als Kilonova bezeichnet wird (oberhalb und etwas links vom Zentrum der Galaxie). Die Verschmelzung der Neutronensterne führte auch zu Gravitationswellen und Gammastrahlen, die von LIGO-Virgo bzw. Fermi/INTEGRAL detektiert wurden. Über die Erzeugung eines Spektrums für jeden Teil des Objekts lässt sich mit MUSE die Emission von leuchtendem Gas erkennen, das hier in Rot erscheint und eine überraschende Spiralstruktur aufweist.
© ESO / J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir
Mosaik aus VISTA-Aufnahmen von NGC 4993 mit der zeitlichen Änderung der Kilonova
Dieses Mosaik zeigt, wie sich die Kilonova in NGC 4993 aufgehellt hat, viel röter wurde und dann in den Wochen nach der Explosion am 17. August 2017 verblasste. Diese Bilder wurden mit dem Infrarot-Teleskop VISTA des Paranal-Observatoriums der ESO in Chile aufgenommen.
© ESO / N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration
Lichtkurve der Kilonova in NGC 4993
Dieses Diagramm zeigt, wie sich die Helligkeit der Kilonova in der Galaxie NGC 4993 gemessen durch verschiedene Farbfilter verändert hat. Im blauen Licht verblasste das Objekt schnell, aber bei längeren Wellenlängen, insbesondere im nahen Infrarotbereich des Spektrums, hellte es sich etwas auf und verblasste dann viel langsamer. Als Folge dessen änderte sich die Farbe des Objekts innerhalb von vier Wochen von sehr blau auf sehr rot.
© Tanvir et al.
Die sich ändernde Helligkeit und Farbe der Kilonova in NGC 4993
Dieses Diagramm zeigt, wie sich das Spektrum und die Helligkeit der Kilonova in der Galaxie NGC 4993 innerhalb von 12 Tagen nach der Entdeckung der Gravitationswellen am 17. August 2017 veränderte. Im blauen Licht verblasste das Objekt schnell, aber bei längeren Wellenlängen, im nahen Infrarotbereich des Spektrums, hellte es sich etwas auf und verblasste dann viel langsamer. In der Folge änderte sich die Farbe des Objekts in dieser Zeit von sehr blau auf sehr rot. Jede Linie ist mit der Anzahl der Tage seit der Explosion gekennzeichnet. Die horizontale Achse ist stellt die Farbe des Lichts, von ultraviolett bis nahinfrarot dar. Die Farben der Linien zeigen die Gesamtfarbe des Objekts zu den verschiedenen Zeitpunkten an.
© Tanvir et al.
GROND-Aufnahme der Kilonova in NGC 4993
Aufnahme der Kilonova vom Gamma-ray Burst Optical/Near-Infrarot-Detektor (GROND), der am MPG/ESO-2,2-Meter-Teleskop am La-Silla-Observatorium angebracht ist.
© ESO / S. Smartt & T.-W. Chen
Die Himmelsregion um die Galaxie NGC 4993
Dieses aus dem Digitized Sky Survey 2 generierte Weitfeld-Bild zeigt die Himmelsregion um die Galaxie NGC 4993. In dieser Galaxie fand eine Verschmelzung zweier Neutronensterne statt, die zu einem Nachweis von Gravitationswellen, einem kurzen Gammastrahlenausbruch und einer optischen Identifizierung eines Kilonova-Ereignisses führte.
© ESO and Digitized Sky Survey 2
Montage von X-Shooter-Spektren der Kilonova in NGC 4993
Diese Montage von Spektren, die mit dem X-Shooter-Instrument am Very Large Telescope der ESO aufgenommen wurden, zeigt das sich ändernde Verhalten der Kilonova in der Galaxie NGC 4993 über einen Zeitraum von 12 Tagen nach der Explosion am 17. August 2017. Jedes Spektrum deckt einen Wellenlängenbereich vom nahen Ultraviolett bis hin zum nahen Infrarot ab und zeigt, wie das Objekt mit dem Verblassen dramatisch röter wurde.
© ESO / E. Pian et al. / S. Smartt & ePESSTO
VIMOS-Bild der Galaxie NGC 4993 mit dem Gegenstück zu einem verschmelzenden Neutronensternpaar im sichtbaren Licht (markiert)
Dieses Bild vom VIMOS-Instrument am Very Large Telescope der ESO am Paranal-Observatorium in Chile zeigt die Galaxie NGC 4993, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Galaxie ist nicht ungewöhnlich, aber sie enthält etwas, was noch nie zuvor beobachtet wurde: die Nachwirkungen der Explosion eines Neutronensternpaares, ein seltenes Ereignis, das als Kilonova bezeichnet wird (mit Pfeil markiert). Die Verschmelzung der Neutronensterne führte auch zu Gravitationswellen und Gammastrahlen, die von LIGO-Virgo bzw. Fermi/INTEGRAL detektiert wurden.
© ESO
Die Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra
Diese Aufsuchkarte zeigt das ausgedehnte Sternbild Hydra (die weibliche Wasserschlange), das größte und längste Sternbild am Himmel. Die meisten Sterne, die mit bloßem Auge in einer klaren dunklen Nacht zu sehen sind, sind eingezeichnet. Der rote Kreis markiert die Position der Galaxie NGC 4993, die im August 2017 als Ursprungsort der ersten Gravitationswellenquelle bekannt wurde, die auch im sichtbaren Licht als Kilonova GW170817 identifiziert wurde. NGC 4993 kann als ein sehr schwaches Nebelfleckchen mit einem größeren Amateurteleskop gesehen werden.
© ESO, IAU and Sky & Telescope
VST-Aufnahme der Kilonova in NGC 4993
Dieses Bild vom VST-Teleskop am Paranal-Observatorium der ESO in Chile zeigt die Galaxie NGC 4993, etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Galaxie ansich ist nicht ungewöhnlich, aber sie enthält etwas, was noch nie zuvor beobachtet wurde: die Nachwirkungen der Explosion eines Neutronensternpaares, ein seltenes Ereignis, das als Kilonova bezeichnet wird (links oberhalb vom Zentrum der Galaxie). Die Verschmelzung führte auch zu Gravitationswellen und Gammastrahlen, die jeweils von LIGO-Virgo bzw. Fermi/INTEGRAL detektiert wurden.
© ESO / A. Grado
Hubble beobachtet erste Kilonova
Am 17. August 2017 detektierten das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und das Virgo-Interferometer Gravitationswellen von der Kollision zweier Neutronensterne. Innerhalb von 12 Stunden hatten Observatorien die Quelle des Ereignisses in der linsenförmigen Galaxie NGC 4993 identifiziert, die in diesem Bild mit dem NASA/ESA Hubble Space Telescope dargestellt ist. Der damit verbundene Helligkeitsausbruch, eine Kilonova, ist in den Hubble-Beobachtungen deutlich sichtbar. Dies ist das erste Mal, dass das optische Gegenstück eines Gravitationswellenereignisses beobachtet wurde.

Hubble stellte fest, dass die Helligkeit der Kilonova im Laufe von sechs Tagen allmählich nachließ, wie diese Beobachtungen aus der Zeit zwischen dem 22. und 28. August (Einbrüche) zeigten.
© NASA and ESA. Acknowledgment: N. Tanvir (U. Leicester), A. Levan (U. Warwick), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)
Spektrale Abdeckung der bei der ESO zur Beobachtung von NGC 4993 eingesetzten Instrumente
Dieses Diagramm zeigt die unterschiedliche Wellenlängenabdeckung der vielen ESO-Instrumente, die an der Untersuchung der Explosion von NGC 4993 beteiligt waren.
© ESO
Künstlerische Darstellung einer Kilonova-Explosion
Durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne entsteht eine heftige Explosion, die als Kilonova bezeichnet wird. Von einem solchen Ereignis wird erwartet, dass schwere chemische Elemente ins Weltall gelangen. Dieses Bild zeigt einige dieser Elemente mit ihren Ordnungszahlen.
© ESO / L. Calçada / M. Kornmesser
Künstlerische Darstellung der Verschmelzung von Neutronensternen
Diese künstlerische Darstellung zeigt zwei winzige, aber sehr dichte Neutronensterne an dem Punkt, an dem sie sich vereinigen und als Kilonova explodieren. Ein solches sehr seltenes Ereignis sollte sowohl Gravitationswellen als auch einen kurzen Gammastrahlungsbruch erzeugen, und beides wurde am 17. August 2017 von LIGO-Virgo bzw. Fermi/INTEGRAL beobachtet. Nachfolgende detaillierte Beobachtungen mit vielen ESO-Teleskopen bestätigten, dass dieses Objekt in der Galaxie NGC 4993, die etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist, tatsächlich eine Kilonova ist. Solche Objekte sind die Hauptquelle für sehr schwere chemische Elemente wie Gold und Platin im Universum.
© ESO / L. Calçada / M. Kornmesser
Zusammenstellung von Bildern von NGC 4993 und der Kilonova
Diese Zusammenstellung zeigt Bilder der Galaxie NGC 4993 und einer Kilonova-Explosion, die aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne resultierte.
© ESO / N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration
Künstlerische Darstellung verschmelzender Neutronensterne
Diese künstlerische Darstellung zeigt zwei winzige, aber sehr dichte Neutronensterne an dem Punkt, an dem sie als Kilonova verschmelzen und explodieren. Solch ein seltenes Ereignis sollte sowohl Gravitationswellen als auch einen kurzen Gammastrahlenausbruch erzeugen, was beides am 17. August 2017 von LIGO-Virgo, bzw. Fermi/INTEGRAL beobachtet wurde. Nachfolgende detaillierte Beobachtungen mit mehreren ESO-Teleskopen bestätigten, dass es sich bei diesem Objekt in der Galaxie NGC 4993, etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, tatsächlich um eine Kilonova handelt. Solche Objekte sind im Universum die Hauptquelle für sehr schwere chemische Elemente wie Gold und Platin.
© University of Warwick / Mark Garlick
Virgo hilft bei Lokalisierung der Gravitationswellen-Signale
Positionen von Gravitationswellenquelen am Himmel, die ab 2015 von LIGO (GW150914, LVT151012, GW151226, GW170104) und in letzter Zeit auch vom LIGO-Virgo-Netzwerk (GW170814, GW170817) nachgewiesen wurden. Nachdem Virgo im August 2017 in Betrieb ging, konnten Wissenschaftler die Gravitationswellensignale besser lokalisieren. Im Hintergrund ist eine optische Aufnahme der Milchstraße zu sehen. Die Ereignisse GW150914, LVT151012 und GW170104 verteilen sich über den ganzen Himmel, so dass die Karte auf einer durchsichtigen Kuppel abgebildet wird.
© LIGO / Virgo / NASA / Leo Singer / Axel Mellinger
GW170817: Ein globales astronomisches Ereignis
Eine Karte der etwa 70 Observatorien, die das Gravitationswellenereignis GW170817 detektiert haben. Am 17. August entdeckten die LIGO- und Virgo-Detektoren Gravitationswellen von zwei kollidierenden Neutronensternen. Observatorien rund um den Globus, darunter sieben ESO-Teleskope, beobachteten die Auswirkungen der Kollision in den darauffolgenden Stunden, Tagen und Wochen. Die Teleskope der ESO waren ausschlaggebend, um die Position der Neutronensterne zu bestimmen, und in der durch die Kollision ausgestoßenen Materie nach Anzeichen von schweren Elementen wie Gold suchen zu können.
© LIGO-Virgo
Verheerende Kollision
Künstlerische Darstellung zweier verschmelzender Neutronensterne. Das gewellte Raum-Zeit-Gitter veranschaulicht die Gravitationswellen, die sich durch die Kollision ausbreiten. Ebenfalls zu sehen sind Gammastrahlenausbrüche, die sich nur wenige Sekunden nach den Gravitationswellen ereignen. Herumwirbelnde Wolken aus Materie, die durch die Verschmelzung der Neutronensterne ausgestoßen werden, sind ebenfalls dargestellt. Die Wolken leuchten im sichtbaren Licht sowie in anderen Wellenlängenbereichen.
© NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Suche