Extralange Explosionen stellen unsere Theorien kosmischer Katastrophen in Frage | Quanta-Magazin

Am 11. Dezember 2021 prallte ein Strahl aus Gammastrahlen – der energiereichsten Form von Licht – auf den Swift-Satelliten der NASA. Innerhalb von 120 Sekunden drehte sich der Satellit auf die Explosion zu und entdeckte die glühende Glut einer kosmischen Katastrophe. Zehn Minuten später gingen Alarme an Astronomen auf der ganzen Welt.

Unter ihnen war Jillian Rastinejad, ein Doktorand an der Northwestern University. Für Rastinejad und ihre Mitarbeiter ähnelte dieser Gammastrahlenausbruch seltsamerweise einem ungewöhnlichen Ausbruch aus dem Jahr 2006. Rastinejad rief das Gemini-Observatorium in Hawaii an und beauftragte dort Forscher, tief in den Himmelsfleck zu starren, von dem der Ausbruch gekommen war. Ein paar Tage später, als Wolken aufzogen, übernahm eine Forscherin am MMT-Observatorium in Arizona die Leitung und tat ihr Bestes, um das Teleskop auf den verblassenden Lichtfleck in einer Milliarde Lichtjahre Entfernung zu richten.

Das sei keine Kleinigkeit, wenn man bedenkt, dass sich auch dort das Wetter änderte, sagte Rastinejad. „Sie hat jeden Tag gegen 4 Uhr morgens ein Loch in den Wolken für uns gefunden.“

Als die Beobachtungskette etwa eine Woche später abgeschlossen war, hatten Rastinejad und ihre Kollegen eine ziemlich gute Vorstellung davon, was diese Gammastrahlen durch das Universum geschleudert hatte. Während sie zusahen, waren die Nachwirkungen der Explosion immer röter geworden – ein untrügliches Zeichen dafür, dass in den Trümmern schwere Atome wie Gold und Platin geschmiedet wurden. Die Hauptquelle dieser kosmischen Alchemie sind Kollisionen mit Neutronensternen, den unvorstellbar dichten Kernen toter Sonnen.

Das einzige Problem bestand darin, dass eine solche Schlussfolgerung unmöglich schien. Wenn Neutronensterne verschmelzen, vermuten Astrophysiker, ist im Bruchteil einer Sekunde alles vorbei. Aber Swift hatte ein Gammastrahlen-Bombardement aufgezeichnet, das relativ endlose 51 Sekunden dauerte – normalerweise das Zeichen einer ganz anderen Art von kosmischem Drama.

Seitdem haben Astronomen weitere Ereignisse dieser Art identifiziert. Der jüngste ereignete sich im März, als der zweithellste jemals entdeckte Gammastrahlenausbruch 35 Sekunden dauerte. Wieder beobachteten Astronomen die schlimmen Folgen einer Neutronensternkollision. Sie rekrutierten auch das James Webb-Weltraumteleskop um den bizarren Ausbruch zu studieren und fleckige Spuren des schweren Elements Tellur im sich absetzenden Staub.

Zusammengenommen wirft die Reihe von Beobachtungen ein neues Rätsel in einen Bereich der Astronomie auf, den die meisten Forscher als geklärt betrachtet hatten: Was führt dazu, dass diese angeblich schnellen, heftigen Ereignisse so lange Gammastrahlen aussenden? Es ist ein Rätsel, das Astrophysiker lösen müssen, wenn sie das ehrgeizigere Ziel erreichen wollen, die Ursprünge aller verschiedenen Elemente im Universum zu verstehen, von denen viele aus diesen heftigen Ausbrüchen entstehen.

„Ich war wirklich gespannt, das zu sehen“, sagte er Daniel Kasen, ein Astrophysiker an der University of California in Berkeley, der sich auf kosmische Explosionen spezialisiert hat. „Es ist ein echtes Rätsel.“

Kalter Krieg, brillante Explosionen

Heute fängt Swift alle paar Tage einen Gammastrahlenausbruch ein. Aber die Explosionen waren bis zum Höhepunkt des Kalten Krieges unbekannt, als sie aus dem Nichts auftauchten. In den 1960er Jahren startete die US-Luftwaffe die Vela-Satelliten, um sicherzustellen, dass die Sowjetunion ein Atomwaffentestverbot einhielt. Wenn die Sowjets eine Atombombe im Weltraum zünden würden, wäre der daraus resultierende Gammastrahlenblitz – energiereiche Lichtwellen, so kurz wie der Kern eines Atoms – unmöglich zu verbergen.

Die Satelliten konnten keine sowjetischen Verstöße feststellen. Aber zwischen 1969 und 1972 nahmen sie zu 16 mysteriöse Blitze von Gammastrahlen, von denen Forscher am Los Alamos National Laboratory feststellten, dass sie „kosmischen Ursprungs“ sind.

In den folgenden Jahrzehnten nahm die NASA die Untersuchung auf. Die Raumfahrtbehörde startete eine spezieller Burst-Jagd-Satellit 1991 und in den folgenden neun Jahren wurden fast 3,000 Gammastrahlenausbrüche entdeckt. Die Veranstaltungen gab es in zwei Varianten: kurz und lang. Die meisten kurzen Ausbrüche dauerten weniger als eine Sekunde, während viele lange Ausbrüche eine Minute oder länger andauerten (die Trennlinie zwischen den beiden Geschmacksrichtungen liegt bei etwa zwei Sekunden).

Was auch immer diese Ausbrüche verursachte, schien katastrophal zu sein; In weniger als der Hälfte der Dauer eines Popsongs strahlten sie etwa so viel Energie aus, wie unsere Sonne über Milliarden von Jahren produziert. Was könnte so hell leuchten? Astrophysiker waren sich zunächst nicht sicher, aber die enormen Energien deuteten darauf hin, dass es zu Katastrophen kommen würde, die die Welt untergehen würden. Und die beiden Dauern deuteten auf zwei Arten von Katastrophen hin, eine schnellere, die etwa eine Sekunde dauerte, und eine (etwas) langsamere, die sich über eine Minute entfaltete.

Astronomen fanden zuerst den Ursprung der langsameren Ausbrüche. Als die Forscher in den späten 1990er Jahren besser darin wurden, die Richtung zu bestimmen, aus der ein Ausbruch kam, begannen sie, Nachglühen zu beobachten, das auf kosmische Explosionen hindeutete. Dann, im Jahr 2003, sahen Astronomen das nahegelegene Nachglühen brillantes Feuerwerk einer Supernova Nur wenige Tage nach einem langen Gammastrahlenausbruch: Der Ausbruch hatte das erste Stadium des Todes eines Riesensterns signalisiert.

Um die schnellere Katastrophe zu verstehen, wären ein weiteres Jahrzehnt und schärfere Werkzeuge erforderlich. Als bahnbrechendes Instrument erwies sich der Swift-Satellit der NASA. Swift wurde 2004 gestartet und verfügte über eine meterlange, gemusterte Bleiplatte, die Gammastrahlen aus einem weiten Teil des Himmels einfangen konnte. Entscheidend war auch, dass es über die einzigartige Fähigkeit verfügte, ein Paar an Bord befindlicher Teleskope schnell in die Richtung astronomischer Ausbrüche zu schwenken. (Laut Überlieferungen unter Swift-Wissenschaftlern wurde diese Point-and-Shoot-Technologie teilweise für ein anderes Verteidigungsprojekt des Kalten Krieges entwickelt: Ronald Reagans Strategic Defense Initiative – informell bekannt als „Star Wars“ – deren Ziel es war, Atomraketen während des Fluges abzuschießen. )

Mit Swift konnten Astronomen nun innerhalb von zwei Minuten einen Ausbruch beobachten – schnell genug, um zum ersten Mal das Nachleuchten kurzer Gammastrahlenausbrüche zu erfassen. Während die Astronomen beobachteten, wie der erste Blitz verblasste, sahen sie auch Anzeichen einer darauffolgenden Explosion, die mit der Zeit rötlicher wurde. Astrophysiker errechneten bald, dass diese Rötung nach einer Verschmelzung eines Neutronensterns zu erwarten war (bei der es sich um eine Kollision zwischen zwei Neutronensternen oder zwischen einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch handeln könnte). Eine solche Kollision würde Trümmer ausstoßen, die kürzere, blauere Wellenlängen des Lichts blockieren. Die Kombination dieser Explosionen, sogenannte Kilonovas, mit den kurzen Gammastrahlenblitzen, die ihnen vorausgingen, lieferte starke Indizienbeweise dafür, dass Neutronensternverschmelzungen die kurze Katastrophe waren.

Direkter Beweis ereignete sich am 17. August 2017. Zwei nahegelegene Neutronensterne kollidierten und erschütterten das Gefüge der Raumzeit. Dabei erzeugten sie Gravitationswellen, die das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nachweisen konnte. Durch das Lesen der in diesen Wellen kodierten Informationen berechneten Wissenschaftler später die Massen der kollidierenden Objekte und erfuhren, dass es sich um Neutronensterne handelte. Kurz nachdem die Gravitationswellen eintrafen, registrierte das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi einen zwei Sekunden langen Gammastrahlenausbruch. Und in den folgenden Tagen sahen Astronomen die verräterische Rötung einer Kilonova an derselben Stelle, an der sich der Gammastrahlenausbruch befand. Der drei aufeinanderfolgende Beobachtungen ließ wenig Raum für Zweifel: Kurze Ausbrüche könnten von der Verschmelzung von Neutronensternen herrühren.

„Das hat alles zementiert“, sagte er Brian Metzger, ein Astrophysiker an der Columbia University und einer der Theoretiker, der als erster vorhersagte, wie die Kilonova nach einer Fusion aussehen würde. „[Wir dachten] ‚OK, dieses Bild macht wirklich Sinn.‘“

Dieses Bild beginnt nun zu zerbrechen.

Eine Wendung im dritten Akt

Zuerst kam Rastinejads 51-sekündiger Ausbruch Ende 2021. Es ähnelte stark einem längeren nahen Ausbruch aus dem Jahr 2006, bei dem rätselhafterweise keine Supernova vorlag. Aber mit modernen Instrumenten und einem tieferen Verständnis dafür, wonach zu suchen ist, konnten Rastinejad und Kollegen sehen, was Astronomen 2006 nicht gesehen hatten: Auf den Ausbruch von 2021 folgte eine schwach rote Kilonova.

Diese Beobachtung war ein Ansporn Andreas Levan von der Radboud-Universität, um einen mysteriösen 64-Sekunden-Ausbruch noch einmal zu untersuchen, über den er seit 2019 rätselte. Der Ausbruch war im Herzen einer alten Galaxie losgegangen, in der die Geburt und der Tod von Sternen (in Form von Supernovae) vor Äonen aufgehört hatten. Im Juni, Levan und seine Mitarbeiter argumentierten dass die wahrscheinlichste Erklärung für ihren langen Ausbruch darin bestand, dass zwei Sternleichen – von denen mindestens einer wahrscheinlich ein Neutronenstern war – einander gefunden und verschmolzen hatten.

Und jetzt hat das James-Webb-Weltraumteleskop den bisher klarsten Blick auf das, was nach einem anomalen Ausbruch kommt, geliefert. Als der 35-sekündige Ausbruch am 7. März die Erde erreichte, war Swifts Gammastrahlen-Sensor-Bleiplatte in eine andere Richtung gerichtet. Die energiereichen Strahlen wurden hauptsächlich von Fermi entdeckt, was ihn als den zweithellsten Gammastrahlenausbruch aller Zeiten einstufte (folgend). ein rekordverdächtiges Ereignis in 2022).

Anstelle von Swift verwendeten Astronomen eine interplanetare Flotte von Raumfahrzeugen (einschließlich Sonden auf Mars und Merkur), um die Position des Ausbruchs zu bestimmen. In den darauffolgenden Tagen, als Teleskope am Boden erneut die charakteristische Rötung einer Kilonova sahen, löste Levan schnell eine Notfallanfrage für eine JWST-Beobachtung des Ereignisses nahezu in Echtzeit aus. „Zum Glück haben sie ja gesagt“, sagte Levan. „Dadurch konnten wir diese Beobachtungen etwa einen Monat nach dem ersten Ausbruch machen.“

JWST sammelte eine Fülle von Daten aus dem wogenden Trümmerfeld. Optische Teleskope können nicht tief in die dicke Kilonova-Wolke blicken, und zwar genau aus dem Grund, warum das Ereignis Astrophysiker fasziniert: Es spuckt riesige, lichtblockierende Atome durch eine geheimnisvolle Kette von Ereignissen aus, die als bekannt ist r-Prozess.

Sterne verschmelzen typischerweise Wasserstoffatome zu Helium und später leichtere Atome zu etwas schwereren Atomen wie Sauerstoff und Kohlenstoff. Der r-Prozess ist eine der wenigen Möglichkeiten, direkt zu den schwersten natürlich vorkommenden Elementen zu gelangen. Das liegt daran, dass bei der Kollision eines Neutronensterns ein dichter Strudel aus Neutronen entsteht. Im Chaos dringen immer wieder Neutronen in Atomkerne ein und bilden dort hochinstabile und radioaktive Atome. Wenn Neutronen in diesen Atomen zerfallen, wandeln sie sich in Protonen um. Wenn man am Ende 78 Protonen hat, ist das ein Platinatom. Wenn man 79 Protonen bekommt, ist das Gold.

Die sperrigen Atome, die durch die Staubbildung eines Neutronensterns entstehen, blockieren sichtbares Licht und leuchten hauptsächlich im Infrarotlicht. Deshalb war JWST – ein Infrarotteleskop – so gut geeignet, in eine Kilonova-Wolke zu blicken. „Wir haben mit JWST noch nie eine Kilonova beobachtet“, sagte Metzger. „Es ist das perfekte Instrument.“

In den Trümmern entdeckte das JWST Telluratome (52 Protonen), was bestätigt, dass Neutronensternverschmelzungen die ziemlich schweren Elemente gegen Ende der fünften Reihe des Periodensystems bilden können. „Es ist ein viel schwereres Element als die, die wir zuvor gesehen haben“, sagte Levan.

Aber gleichzeitig trägt die JWST-Beobachtung zu der wachsenden Erkenntnis bei, dass Verschmelzungen von Neutronensternen lange Gammastrahlenausbrüche erzeugen können, egal wie unwahrscheinlich es einst schien. Die Frage ist nun: Wie?

Dichte Objekte, lange Ausbrüche

Supernovae stoßen lange Gammastrahlenausbrüche aus, da Sternexplosionen relativ langsam und chaotisch sind. Der Tod eines Riesensterns beginnt damit, dass sein Zentrum in ein Schwarzes Loch kollabiert. Danach strömt eine beträchtliche Menge der äußeren Sternmaterie – die vielleicht die Masse mehrerer Sonnen ausmacht – spiralförmig in das Schwarze Loch und schleudert mächtige Teilchenstrahlen aus, die mehrere Minuten lang Gammastrahlen in die Leere schießen.

Neutronensternverschmelzungen hingegen sollen blitzschnell vorbei sein. Ein Neutronenstern packt etwa die Masse einer Sonne in eine glatte, winzige Kugel von nur wenigen Kilometern Durchmesser. Wenn zwei dieser dichten Kugeln kollidieren – oder wenn eine davon in ein Schwarzes Loch stößt – kollabiert die Materie zu einem Schwarzen Loch. Bei diesem letzten Krampf wird weitaus weniger übrig gebliebene Materie in die Umlaufbahn geschleudert als beim Sternkollaps. Während das Schwarze Loch diesen leichten Snack, der möglicherweise zehnmal weniger wiegt als die Sonne, verschlingt, treibt er kurzzeitig Jets (und einen Gammastrahlenausbruch) an, die Zehntelsekunden dauern.

Die neuen Beobachtungen von Levan, Rastinejad und anderen stehen im Widerspruch zu diesem schnellen und klaren Bild der Verschmelzung von Neutronensternen. „Es macht keinen Sinn, einen 10-Sekunden-Burst von einem System zu haben, das nur einen Bruchteil einer Sekunde lebt“, sagte er Erz Gottlieb, ein Computerastrophysiker am Flatiron Institute, der nicht an den Beobachtungen beteiligt war.

Eine Möglichkeit besteht darin, dass etwas Größeres und Unordentlicheres als Neutronensterne diese anhaltenden Explosionen aussendet. Insbesondere würde ihre längere Dauer natürlicher zu einer Verschmelzung eines Weißen Zwergs – einer größeren Art Sternleiche, die zurückbleibt, wenn einem kleinen Stern der Treibstoff ausgeht – und einem Schwarzen Loch oder Neutronenstern passen. Dieses Szenario führt dazu, dass mehr Materie ein Schwarzes Loch umgibt. Es ist jedoch unklar, ob Kollisionen mit Weißen Zwergen die richtigen Arten von Gammastrahlenausbrüchen oder sogar Kilonovas erzeugen würden. „Das gesamte Phänomen wurde viel weniger untersucht“, sagte Kasen aus Berkeley. „Wir arbeiten gerade daran.“

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die langen Gammastrahlenausbrüche überhaupt nicht von neugeborenen Schwarzen Löchern stammen. Wenn man stattdessen zwei winzige Neutronensterne zusammenschmettert und der resultierende Klumpen sich schnell genug dreht, kann es sein, dass er einige Minuten lang nicht in ein Schwarzes Loch kollabiert. Das kurzlebige Objekt wäre ein stark magnetisierter Neutronenstern – ein „Magnetar“ – der einen längeren Gammastrahlenausbruch aussenden würde, wenn seine Drehung langsamer wird. Metzger hat dieses Szenario mitgestaltet, aber selbst er hält es für eine radikale Idee. „Ich stehe dem immer noch zu Recht skeptisch gegenüber“, sagte er.

Die konservativste Möglichkeit, sagte Metzger, sei, dass Fusionen von Neutronensternen einfach schlimmer seien, als Astrophysiker dachten. Über den Sommer, detaillierte Simulationen aus einer von Gottlieb geleiteten Zusammenarbeit legten nahe, dass dies häufig der Fall sein könnte. Insbesondere wenn ein leichter Neutronenstern auf ein ausreichend schweres rotierendes Schwarzes Loch trifft, dreht sich der Neutronenstern spiralförmig hinein und das Schwarze Loch zerfetzt ihn über Hunderte von Umlaufbahnen, wodurch eine schwerere Materialscheibe zurückbleibt, die das Schwarze Loch in mehreren zehn Sekunden verbraucht . Bei der Simulation von Kollisionen zwischen Neutronensterne und Schwarze LöcherGottlieb, Metzger und Mitarbeiter fanden heraus, dass schwerere Scheiben, die längere Gammastrahlenausbrüche antreiben, durchaus üblich sind.

Tatsächlich erzeugten ihre Simulationen ironischerweise die oft beobachteten kurzen Ausbrüche nicht so schnell wie lange Ausbrüche, was die Frage aufwirft, was genau die kurzen Ausbrüche antreibt.

„Wir verstehen diese Dinge nicht [vollständig]“, sagte Gottlieb. „Ich denke, das ist jetzt wahrscheinlich das größte Problem.“

Lücken füllen

Um herauszufinden, was wirklich passiert, wenn tote Sterne kollidieren, müssen Astronomen ihre Anstrengungen verdoppeln, um einen detaillierten Katalog von Gammastrahlenausbrüchen zu erstellen, da das, was sie für eine Ansammlung hauptsächlich von Supernovae verursachter Explosionen hielten, nun durcheinander zu sein scheint mit einer unbekannten Anzahl von Neutronensternverschmelzungen. Dazu muss nach Kilonovas gesucht werden – dem Zeichen von Kollisionen – sowohl nach langen als auch nach kurzen Ausbrüchen. Wenn die Unterscheidung zwischen lang und kurz bestehen bleibt, könnte das ein Zeichen dafür sein, dass es mehr als eine Möglichkeit gibt, eine Kilonova zuzubereiten.

„Wir lernen, dass wir jedes Mal, wenn eine Veranstaltung in relativer Nähe stattfindet, loslegen sollten“, sagte Rastinejad.

Auch LIGO wird eine entscheidende Rolle spielen. Das Observatorium war wegen Upgrades während dieser jüngsten seltsamen Ausbrüche offline, befindet sich jedoch derzeit mitten in seinem vierten Durchgang und wartet auf die entfernten Kollisionen. Wenn LIGO die Gravitationswellen eines langen Gammastrahlenausbruchs auffangen kann, werden Wissenschaftler wissen, ob Neutronensterne oder Schwarze Löcher beteiligt waren. Dadurch können sie auch Weiße Zwerge ausschließen, deren Gravitationswellen für LIGO nicht erkennbar sind. Detaillierte Wellenbewegungen an künftigen Observatorien könnten sogar Hinweise darauf geben, ob das unmittelbare Produkt ein Magnetar oder ein Schwarzes Loch war.

„[Gravitationswellen] werden in dieser Frage wirklich der einzig endgültige Weg sein“, sagte Metzger.

Indem sie das gravitative Rumpeln von Neutronensternverschmelzungen wahrnehmen und Gammastrahlenausbrüche und Kilonovae beobachten, könnten Astrophysiker schließlich ihr langfristiges Ziel erreichen, den Ursprung aller Substanzen im Universum vollständig zu erklären – von Wasserstoff über Platin bis hin zu Plutonium. Dazu müssen sie wissen, welche Arten von Verschmelzungen stattfinden, wie häufig jede Art vorkommt, welche Elemente jede Art in welchen Mengen produziert und welche Rolle andere Ereignisse wie Supernovae spielen. Es ist ein gewaltiges Unterfangen, das gerade erst beginnt.

„Es besteht immer noch ein Kernziel darin, die astrophysikalischen Orte zu ermitteln, an denen jedes einzelne Element im Periodensystem entsteht“, sagte Levan. „Es gibt immer noch Lücken, und wir glauben, dass damit einige dieser wichtigen Lücken gefüllt werden.“

Anmerkung des Herausgebers: Das Flatiron Institute wird von der Simons Foundation finanziert, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin finanziert. Weder das Flatiron Institute noch die Simons Foundation haben Einfluss auf unsere Berichterstattung. Weitere Informationen verfügbar hier.