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Zwei Sterne sterben – und wir sehen zu wie noch nie

Mit Dutzenden Teleskopen haben Forscher beobachtet, wie zwei Neutronensterne kollidieren. Erstmals konnten sie auch Gravitationswellen der kosmischen Katastrophe messen. Es ist der Start eines neuen Zeitalters der Astronomie.

Christoph Seidler



epa06269557 A view during a press conference of the European Southern Observatory (ESO) in Garching near Munich, Bavaria, Germany, 16 October 2017. ESO's fleet of telescopes in Chile have detected the first visible counterpart to a gravitational wave source. These historic observations suggest that this unique object is the result of the merger of two neutron stars. The cataclysmic aftermaths of this kind of merger 'long-predicted events called kilonovae' disperse heavy elements such as gold and platinum throughout the Universe.  EPA/LUKAS BARTH

Die sensationelle Beobachtung wird vorgestellt. Bild: EPA/EPA

Ein Artikel von

Spiegel Online

Ja, klar: Österreichwahl. Niedersachsenwahl. Trump und Iran. Nazis auf der Buchmesse. All das ist sehr wichtig. Aber wenn Sie sich darauf einlassen, wird diese Geschichte die überraschendste sein, die Sie heute lesen. Versprochen!

Und wenn Sie den Text gelesen haben, werden Sie Ihrem Herzensmenschen Faszinierendes erzählen können. Zum Beispiel, dass der Goldring, den er oder sie am Finger trägt, wohl nur existiert, weil in den Weiten des Alls irgendwann ein Stern gestorben ist. Und dass für Himmelsforscher gerade ein neues Zeitalter begonnen hat, nicht mehr und nicht weniger.

Aber eins nach dem anderen.

Beginnen wir mit Andreas von Kienlin, einem Astrophysiker vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching. Er ist nur einer von Hunderten Menschen, deren Arbeit für diese Geschichte wichtig ist. Aber an seiner Person lässt sich die Sache gut erzählen.

Riesige Strahlungsexplosionen im All

Kienlin gehört zu einer Gruppe von Forschern, die mit einem speziellen Messgerät auf dem Weltraumteleskop «Fermi» nach riesigen Strahlungsexplosionen im All lauschen. Wenn der «Gamma-Ray Burst Monitor», so heisst das Messgerät, etwas Auffälliges findet, bekommen die Himmelsforscher sofort eine Benachrichtigung. Bei Kienlin landet die Botschaft im E-Mail-Posteingang.

epa06269419 An undated handout photo made available by the European Southern Observatory (ESO) on 16 October 2017 shows an artist's impression of two tiny but very dense neutron stars at the point at which they merge and explode as a kilonova. Such a very rare event is expected to produce both gravitational waves and a short gamma-ray burst, both of which were observed on 17 August 2017 by LIGO–Virgo and Fermi/INTEGRAL respectively. Subsequent detailed observations with many ESO telescopes confirmed that this object, seen in the galaxy NGC 4993 about 130 million light-years from the Earth, is indeed a kilonova. Such objects are the main source of very heavy chemical elements, such as gold and platinum, in the Universe.  EPA/ESO/L. Calcada/M. Kornmesser/ HANDOUT  HANDOUT EDITORIAL USE ONLY/NO SALES

Bild: EPA/ESO

Etwa vier- bis fünfmal pro Woche zeugen die Hinweise von besonders interessanten Gammastrahlenausbrüchen. Die Forscher nennen diese Ereignisse nach dem englischen Begriff Gamma-Ray Burst normalerweise kurz GRB. Jedes von ihnen bekommt eine Katalognummer.

Binnen Sekunden wird bei solch einem GRB mehr Energie frei als unsere Sonne in fast fünf Milliarden Jahren ins All geblasen hat. Für viele ist das nur schwer vorstellbar. Forscher Kienlin sagt dagegen lakonisch: «Wenn man pro Woche vier explodierende Sterne sieht, wird man ein bisschen abgebrüht.»

Unter all diesen Ereignissen sticht nun aber eines heraus: Es ist der Ausbruch, den der «Fermi»-Satellit am 17. August dieses Jahres um 14 Uhr 41 Minuten und 04 Sekunden mitteleuropäischer Sommerzeit registrierte, abgelegt im Katalog unter dem Kürzel GRB 170817A. Er wird die Geschichte der Astronomie grundlegend prägen - und das, obwohl der Strahlungsblitz weder besonders stark noch besonders weit weg von uns war.

«Etwas ganz Besonderes»

«Etwa eine halbe Stunde nach der Beobachtung haben wir mitbekommen, dass das etwas ganz Besonderes ist», sagt Kienlin. Der Grund dafür war, dass auch der «Ligo»-Gravitationswellendetektor in Hanford im US-Bundesstaat Washington das Ereignis bemerkt hat. Dort bekam es die Katalognummer GW170817.

Mittlerweile ist klar, dass die Forscher beim Zusammenstoss von zwei Neutronensternen zuschauen konnten, bei einer sogenannten Kilonova. Nach Durchsicht und Aufbereitung der Daten zeigte sich, dass auch der - eigentlich gerade nicht im Messmodus befindliche - «Ligo»-Detektor in Livingston (US-Bundesstaat Louisiana) und - schwach - auch der europäische «Virgo»-Detektor in der Nähe von Pisa den kosmischen Crash registriert hatten.

Neutronensterne gehören zu den faszinierendsten und exotischsten Objekten des Universums. Sie sind die Überreste riesiger Sonnen, die unter der Wirkung ihrer eigenen Schwerkraft zusammengebrochen sind - nachdem ihnen der Treibstoff für die Kernfusion in ihrem Inneren ausgegangen ist. Übrig bleiben extrem kleine Himmelskörper - Neutronensterne haben nur einen Durchmesser von 20 Kilometern - mit einer extremen Dichte.

Trotz ihrer Mini-Ausmasse können sie mehr Masse als unsere Sonne besitzen. Eine stecknadelkopfgrosse Portion ihrer Materie wiegt so viel wie ein voller Öltanker. Auch das ist für Nichtastronomen nur schwer vorstellbar. Zusätzlich sind sie heiss, rotieren unfassbar schnell und sind von mörderischen Magnetfeldern umgeben.

Von diesen Exoten des Universums also waren zwei zusammengestossen, rund 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Wegen der grossen Massen, die bei so einer Kilonova bewegt werden, entstehen Gravitationswellen. Auf der Erde können wir diese winzigen Kräuselungen der Raumzeit erst seit Kurzem messen, gerade gab es dafür den Physik-Nobelpreis.

Im Video: Warum Gravitationswellen so faszinierend sind

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Video: YouTube/pujie1982

Die Beobachtung vom 17. August ist die erste, bei der diese Wellen nach der Fusion zweier Neutronensterne nachgewiesen wurden. Die vier vorherigen Gravitationswellen-Messungen hatten alle den Zusammenstoss von schwarzen Löchern belauscht. Das für sich wäre bereits eine Sensation.

Aber da ist noch mehr. Es ist auch das erste Mal, dass Astronomen sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung vom selben astronomischen Ereignis messen konnten.

Am besten erklären lässt sich die Bedeutung mit einer Analogie: Bisher hat die Menschheit ihre Teleskope auf der Erde und im All wie Augen genutzt. Seit Kurzem kann sie mit Gravitationswellendetektoren gewissermassen auch Dinge im All hören. Nun ist es erstmals gelungen, Augen und Ohren zusammen zu nutzen.

«Dies ist der Beginn der Multi-Messenger-Astronomie und eines tieferen Verständnisses unseres Universums», jubelt etwa Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (AEI) in Hannover. Vom «Beginn einer neuen Ära» spricht auch MPE-Forscher Jochen Greiner.

Ein strahlender Punkt nach elf Stunden

Insgesamt haben 70 Observatorien rund um die Erde und im All ein Nachglühen der Neutronensternkollision im Sternbild Hydra beobachten können, darunter die Europäische Südsternwarte im chilenischen La Silla und das «Hubble»-Weltraumteleskop. Die Astronomen hatten sie innerhalb kürzester Zeit auf das Himmelsgebiet ausgerichtet, in dem «Fermi» und die Gravitationswellen-Detektoren fündig geworden waren.

Im Bereich der linsenförmigen Galaxie NGC4993 registrierten die Teleskope nach etwa elf Stunden einen strahlenden Punkt, der dort vorher nicht zu sehen gewesen war: Es war das Nachglühen der kollidierten Neutronensterne, zu beobachten bei optischen, Infrarot- sowie Röntgen- und Radiowellenlängen.

Schon früher vermuteten Astronomen, dass sie solch eine Kollision beobachtet hatten. Jetzt wissen sie es erstmals mit Sicherheit. Genauso wie nun endlich gesichert ist, dass kurze Gammastrahlenausbrüche, wie Kienlin sie misst, tatsächlich von der Kollision von Neutronensternen verursacht werden. Auch das war zuvor nur mehr oder weniger gemutmasst worden.

Wunderschöne Aufnahmen des Polarlichts von der ISS

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Video: srf

Ein weiteres Detail dabei: Gammastrahlen und Gravitationswellen wurden mit rund zwei Sekunden Zeitunterschied nachgewiesen. Diese Erkenntnis hilft den Forschern, besser zu verstehen, wie die Neutronensternverschmelzung tatsächlich abläuft. «Diese und die anderen Beobachtungen geben uns einzigartige Einblicke in die Physik rund um dieses Ereignis», sagt Andreas von Kienlin.

Und der Goldring?

Mittlerweile fragen Sie sich sicherlich, was das alles mit dem Goldring zu tun hat, von dem am Anfang die Rede war. Nun, die Fusion zweier Neutronensterne gibt Astronomen auch Antworten auf eine fundamentale Frage: Woher kommen die schweren chemischen Elemente in unserem Universum?

Die leichten Atome entstehen bei der Kernfusion im Inneren von Sonnen: Wasserstoffkerne fusionieren unter Abgabe riesiger Energiemengen zu Helium. Daraus wiederum können bei anderen Fusionsreaktionen zum Beispiel Kohlenstoff und Sauerstoff entstehen - und schliesslich Elemente bis hin zu Eisen. Die Grundstoffe für Ihr Auto zum Beispiel wurden mal im Inneren eines fremden Sterns gebrannt.

Bei Eisen aber müsste eigentlich Schluss sein. Für die Bildung noch schwererer Atomkerne wäre es nötig, Energie von aussen zuzuführen. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne, wie sie die Forscher nun erstmals mit Sicherheit beobachtet haben, liefert diese. Mit ihrer Hilfe können auch grosse Mengen schwerer Elemente entstehen.

Astronomen hatten das bisher schon vermutet. Auch hier gibt es nun den direkten Beweis: Bei Beobachtungen der betreffenden Himmelsregion in der Galaxie NGC4993 fanden die Forscher in den Tagen nach der Kollision unter anderem Hinweise auf riesige Mengen an neu entstandenem Gold und Platin.

Revolution der Astronomie

Deswegen ist es nicht überzogen, die Beobachtungen vom 17. August und den Tagen danach als Revolution der Astronomie zu bezeichnen. Sie regten, so schreibt Cole Miller von der University of Maryland in College Park in einem «Nature»-Kommentar, «den Appetit an, auf viele erwartete Verschmelzungen von Neutronensternen, die in zukünftigen Messkampagnen zu erwarten sind».

Bereits jetzt erscheinen zum Start der aktuellen Datenauswertungen ganze Stapel von wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Die Gravitationswellenforscher berichten in den «Physical Review Letters», die Astronomen mit Teleskopen für elektromagnetische Wellen stellen ihre Erkenntnisse unter anderem in fünf Artikeln in «Nature» und einem in «Nature Astronomy» vor. Auch in «Science» und dem «Astrophysical Journal» erscheinen Arbeiten zur Kilonova.

Schon wochenlang kursierten Gerüchte über die Beobachtungen im Netz. Journalisten bekamen das Material in der vergangenen Woche in Teilen vorab. Aber vieles blieb bis zur offiziellen Verkündung der Ergebnisse am Montag im Verborgenen, die mit Pressekonferenzen rund um den Globus orchestriert wurde.

Fachleute werden in den kommenden Wochen sicher debattieren, ob es kleinere Inkonsistenzen zwischen manchen der Forschungsergebnisse gibt. Klar aber ist: Für Sternengucker hat ein neues Zeitalter begonnen. Und das ist ein Grund zum Feiern. Andreas von Kienlin wird das in Garmisch-Partenkirchen tun - dort trifft sich die «Fermi»-Community seit Montag zu einer ihrer regelmässigen Konferenzen. GRB 170817A wird wohl das alles beherrschende Thema sein.

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    Alle Leser-Kommentare
  • Rock'n'Rohrbi 17.10.2017 00:38
    Highlight Highlight Mal so neh Laienfrage; definiert mir jemand Licht...
    Welches Licht bestimmt die Geschwindigkeit?
    Unsere Sonne, eine andere Sonne oder ist jede Lichtquelle die selbe und gibt keinen Unterschied?
    Das Streichholz das ich anzünde erzeugt Licht und ist gleich schnell wie der Blitz, ein Funke vom Stein geschlagen oder elektrisches Licht? Wenn ja; weshalb erleuchtet dann nicht jedes Licht gleich hell und weit?
    • el_chef 17.10.2017 09:11
      Highlight Highlight Alle lichtwellen haben eine gleiche und konstante geschwindigkeit, egal woher sie kommen. Die stärke wird lediglich von der lichtwellenkonzentration bestimmt.
      Spannend ist, dass bei licht im gegensatz von z.b. schall kein dopplereffekt entsteht. dh wenn man mit 1/2 C einer lichtwelle hinterherreist, hat die welle entgegen der intuitiven erwartung trotzdem die geschw. C und nicht etwa 1/2C.
    • D(r)ummer 17.10.2017 11:52
      Highlight Highlight Kurz gesagt: Photonen.
      Photonen sind masselose Quanten die die Basis für jegliche el.-magn.-Strahlung (Radiowellen, Gammastrahlung, sichtbares Licht etc.) stellen. Je nachdem wie ein Element aufgebaut ist, erzeugt es Photonen mit spezifischen Frequenzen (oben genannt) die grundsätzlich erstmal (im Vakuum) in Lichtgeschwindigkeit verkehren weil sie es (ohne Masse) können. Gewisse Medien können die Photonen verlangsamen/ablenken/zerstreuen.

      Die Intensität hängt von den elementaren Eigenschaften des Ursprungsobjektes ab.
    • Hardy18 17.10.2017 18:36
      Highlight Highlight Die Helligkeit des Lichts bestimmt der Körper der es aussendet. Je heisser ein z.B. Stern ist desto heller (blaues / weisses Licht) strahlt er. Bestes Beispiel ist ein Streichholz. Im Mittelpunkt der Flamme ist sie weiss bläulich und je weiter du dich vom Mittelpunkt der Flamme entfernst desto rötlicher und „kälter“ ist die Flamme.
      Die Entfernung im Vakuum spielt keine Rolle wie weit das Licht reicht. Je heller und grösser ein Stern leuchten kann desto eher wird man ihn wahr nehmen können. Sollte es auf Hindernisse treffen kann das Licht (die Welle) abgelenkt oder absorbiert werden.
  • Vespa Timo 16.10.2017 22:48
    Highlight Highlight Es gibt keinen Gott!
  • dommen 16.10.2017 22:34
    Highlight Highlight Alle haben zugesehen und keiner hat etwas getan... traurig traurig.
    • dommen 17.10.2017 09:09
      Highlight Highlight Das war ein Scherz...
    • pedrinho 17.10.2017 15:07
      Highlight Highlight auch gut, dass es so weit weg ist, der goldpreis hier wuerde auf das niveau von alteisen fallen waere die dabei entstandene menge verfuegbar :)
  • DaBoong 16.10.2017 20:44
    Highlight Highlight Und immernoch ordnen wir uns eine unheimlich überhebliche wichtigkeit zu.... 😂
    • blobb 16.10.2017 21:53
      Highlight Highlight Immerhin sind wir, so weit wir wissen, die einzigen, die die Schönheit und Grossartigkeit des Universums erkennen können.
      Das gibt unserer Spiezies schon einen gewissen Stellenwert. Wir sind sozusagen der Teil des Universums, der sich selbst zu begreifen versucht. Daher sind wir doch irgendwie relevanter als der ganze tote Rest.
      Der würde ja sonst sein Spektakel für nichts veranstalten.

    • Calvinandboby 17.10.2017 02:21
      Highlight Highlight Wie ironisch genau bei diesem Kommentar zu behaupten das wir die einzigen sind welche versuchen das Universum zu erklären.
    • blobb 17.10.2017 19:01
      Highlight Highlight ... , so weit wir wissen, ...

      ;)
  • Quamo 16.10.2017 18:43
    Highlight Highlight Btw kennt ihr den schon?
    Sterben zwei (N)Sterne im All...
    Ich hab ihn zuerst auch nicht verstanden aber 130Mio. Jahre später hat er mich zum schmunzeln gebracht 😅😅
    #sorrywegeflach
  • Thomas Bollinger (1) 16.10.2017 18:28
    Highlight Highlight Dann hoffen wir doch, dass die Edelmetalle mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind und sanft auf der Erde landen...
    • DeineMudda 16.10.2017 23:53
      Highlight Highlight Na dann warten wir doch 130 Millionen Jahre...
  • edögähn 16.10.2017 18:25
    Highlight Highlight cooler artikel. vor allem die einleitung!
  • Stirling 16.10.2017 17:42
    Highlight Highlight Also wenn ich das richtig verstehe ist das 130 Mio. Lichtjahre von uns entfernt. Das bedeutet, dass das vor 130Mio. Jahren passiert ist und wir bekommen das erst jetzt mit?
    • dF 16.10.2017 17:58
      Highlight Highlight @NoPoCo

      Jup, so ist es. Grund dafür ist, dass sich die Gravitation mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet.
    • Eagle 16.10.2017 18:03
      Highlight Highlight Korrekt! 🤓
    • Pfauenfeder 16.10.2017 18:06
      Highlight Highlight Nein das wird nicht 1 zu eins berechnet. Das sind glaub ich ca. 1.5 monate. Glaub ich jedenfalls. War aber in mathe immer in der hintersten reihe 😉
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