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Eine Illustration zweier Neutronensterne, die kollidieren und verschmelzen, um eine Kilonova-Explosion zu erzeugen.(Bildnachweis: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

Wissenschaftler haben eine ungewöhnlich lange Explosion hochenergetischer Strahlung, die als Gammastrahlenausbruch (GRB) bekannt ist, analysiert und festgestellt, dass sie durch die Kollision zweier ultradichter Neutronensterne verursacht wurde. Und, was noch wichtiger ist, dieses Ergebnis half dem Team bei der Beobachtung eines Lichtblitzes, der von demselben Ereignis ausging und bestätigt, dass diese Verschmelzungen die Orte sind, an denen Elemente wie Gold entstehen.

Die Beobachtungen, die mit dem James Webb Space Telescope (JWST) und dem Hubble Space Telescope gemacht wurden, ermöglichten es den Wissenschaftlern, Gold und schwere Elemente geschmiedet zu sehen, was uns helfen könnte, besser zu verstehen, wie diese mächtigen Neutronensternfusionsereignisse die einzigen Umgebungen im Universum erzeugen, die turbulent genug sind, um Elemente zu erzeugen, die schwerer als Eisen sind, wie Silber und Gold, was zu einem Lichtblitz führt, der Kilonova genannt wird.

„Es war aufregend, eine Kilonova zu studieren, wie wir sie noch nie zuvor mit den leistungsstarken Augen von Hubble und JWST gesehen haben“, sagte Eleonora Troja, Mitglied des Forschungsteams und Astrophysikerin an der Universität Rom, gegenüber kosmischeweiten.de. „Das ist das erste Mal, dass wir nachweisen konnten, dass Metalle, die schwerer als Eisen und Silber sind, vor unseren Augen neu entstanden sind.“

GRBs, die stärksten Energieexplosionen im bekannten Universum, wurden schon früher mit der Verschmelzung von Neutronensternen in Verbindung gebracht – aber diese Entdeckung ist anders.

Diese Phänomene lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Auf der einen Seite gibt es die langen GRBs, die über 2 Sekunden dauern, und auf der anderen Seite die kurzen GRBs, die weniger als 2 Sekunden dauern. Während kurze GRBs mit der Verschmelzung von Neutronensternen in Verbindung gebracht wurden, ging man davon aus, dass lange GRBs durch den Kollaps massereicher Sterne und nicht durch solche Kollisionen entstehen.

Der extrem helle und lange Ausbruch mit der Bezeichnung GRB 230307A, der von den Geräten an Bord der NASA-Mission Fermi im März 2023 entdeckt wurde, dauerte 200 Sekunden und war der zweitstärkste jemals beobachtete GRB. Er schien mit einer Kilonova (AT2017gfo) und einer Neutronensternverschmelzung in Verbindung zu stehen, die sich in einer Entfernung von etwa 8,3 Millionen Lichtjahren ereignete, was mit den üblichen GRB-Konventionen bricht und Theorien darüber in Frage stellt, wie diese Explosionen hochenergetischer Strahlung ausgelöst werden.

„Es ist eine Herausforderung, sich vorzustellen, dass die Dauer von GRBs, die aus der Verschmelzung von kompakten Doppelsternen entstehen, bis zu zehn Sekunden betragen kann“, sagte Yu-Han Yang, Leiter des Forschungsteams und postdoktoraler Astrophysiker an der Universität Rom, gegenüber kosmischeweiten.de.

Entdeckung von Gammastrahlen könnte eine kosmische Goldmine sein

Sterne sind wie stellare Öfen, in denen die Elemente des Periodensystems geschmiedet werden, beginnend mit der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium in ihren Kernen und weiter mit der Fusion von Helium zu schwereren Elementen wie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff.

Die massereichsten Sterne, die etwa 7- bis 8-mal so massereich sind wie die Sonne, können in ihrem Kern Elemente bis hin zu Eisen fusionieren. Sobald der Kern eines Sterns mit diesem Element gefüllt ist, wird die Fusion eingestellt. Damit wird auch die nach außen gerichtete Energielinie unterbrochen, die den Stern über Millionen oder manchmal Milliarden von Jahren gegen seine eigene Schwerkraft gestützt hat. Die Kerne dieser massiven Sterne kollabieren dann unter dieser erdrückenden Schwerkraft und sprengen ihre äußeren Schichten in Supernova-Explosionen weg.

Dieser Kollaps verwandelt den Sternkern, indem er Elektronen und Protonen in ein Meer von fließenden Neutronen zerquetscht, Teilchen, die in Atomkernen vorkommen und sehr selten „frei“ existieren. In diesem Meer werden die Neutronen jedoch durch ein Quantenprinzip, den so genannten Neutronendegenerationsdruck, daran gehindert, sich zusammenzudrängen, was mit genügend Masse überwunden werden kann, um ein Schwarzes Loch zu erzeugen. Aber manchmal reicht die Masse nicht aus, um ein Schwarzes Loch entstehen zu lassen.

Diese toten Sternkerne, die nicht über die nötige Masse verfügen, um den Entartungsdruck zu überwinden, bleiben als 20 km breite Bosse mit einer Masse, die ein- bis zweimal so groß ist wie die der Sonne. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, wie Neutronensterne dem Universum schwerere Elemente als Eisen zuführen können.

Nicht alle Neutronensterne existieren allein.

Einige durchqueren den Kosmos in Neutronenstern-Binärsystemen, das heißt, sie haben einen anderen Neutronenstern in ihren gravitativen Fängen. Wenn diese toten Sterne einander umkreisen, versetzen sie das Weltall in Schwingungen, die Gravitationswellen genannt werden und allmählich Drehimpulse aus dem System ableiten.

Dies führt dazu, dass sich die Neutronensterne spiralförmig aufeinander zubewegen, wobei sie mit der Zeit immer schneller Gravitationswellen aussenden und immer mehr Drehimpuls „verlieren“. Schließlich kollidieren die beiden und verschmelzen. Diese Kollision erzeugt einen Gammastrahlenausbruch und sendet einen Sprühregen aus neutronenreichem Material aus, aus dem die schwereren Elemente des Periodensystems entstehen.

Andere Atomkerne in der Nähe dieser Kollisionen schnappen sich die freien Neutronen durch den schnellen Neutroneneinfang oder r-Prozess und werden zu kurzlebigen, überschweren Elementen, den „Lanthaniden“. Diese Lanthanoide zerfallen dann schnell in leichtere Elemente (die allerdings immer noch schwerer als Blei sind). Dieser Zerfall verursacht die Emission von Strahlung, die wir von der Erde aus als „Kilonova“ sehen. Wenn man also die Entwicklung der Kilonovas verfolgt, kann man die Entstehung von Elementen wie Gold und Silber nachvollziehen.

„Neutronensternverschmelzungen könnten eine ideale Umgebung für die umfassende Synthese schwerer Elemente schaffen, die derzeit nicht künstlich erzeugt werden können“, so Yang. „Das Studium von Neutronensternverschmelzungen hilft uns, die dunklen Kapitel der Nukleosynthese neu zu schreiben.“

Kosmische Alchemie in Aktion

Im Laufe von Wochen bis Monaten, so Yang, zeigen die Kilonovas ein breites Spektrum von Verhaltensweisen. Dieses Verhalten hängt von der Zusammensetzung des ausgeworfenen Materials und der Art des Überrests ab, der sich im Zentrum der Fusionsstelle bildet.

Die Beobachtungen der meisten Kilonovas erstrecken sich nicht auf so späte Zeitpunkte in ihrer Entwicklung – aber AT2017gfo war anders. Leider waren die späten Beobachtungsdaten für AT2017gfo, die mit dem Spitzer-Weltraumteleskop gesammelt wurden, jedoch begrenzt. Sie boten nur schwache Signale, die durch die Wirtsgalaxie der Kilonova verunreinigt waren, und deckten verschiedene Wellenlängen des Lichts nur unzureichend ab.

„In den ersten Tagen wird das Verhalten einer Kilonova nicht durch ihre chemische Zusammensetzung beeinflusst“, erklärt Troja. „Es dauert Wochen, bis sich zeigt, welche Metalle bei der Explosion geschmiedet werden, und wir hatten nie die Gelegenheit, eine Kilonova so lange zu beobachten.“

Diese Einschränkungen hatten Wissenschaftler daran gehindert, Kilonovas und die Prozesse, die sie erzeugen, besser zu verstehen.

Im Fall von AT2017gfo ermöglichten es die Empfindlichkeit und die Mehrfarbigkeit der JWST- und Hubble-Beobachtungen Yang und Kollegen jedoch, die Leuchtkraft dieser Kilonova zu späten Zeiten zu beobachten.

„Wir haben die Entwicklung des transienten Ereignisses, das mit GRB 230307A in Verbindung steht, bis zu zwei Monate nach dem Ausbruch verfolgt und die vollständige blau-rote Entwicklung dieses transienten Ereignisses, das als Kilonova klassifiziert werden kann, aufgezeichnet“, sagte Yang. „Wir entdeckten den Rückgang des photosphärischen Radius zu späten Zeitpunkten. Der schwindende Photosphärenradius ist ein Beweis für die Rekombination schwerer Elemente, wie z. B. Lanthaniden, die während des Abkühlungsprozesses stattfindet. Schwere r-Prozesselemente werden benötigt, um die beobachteten Daten zu erzeugen.“

Damit wurde bestätigt, dass Neutronensternverschmelzungen Elemente schmieden, die schwerer sind als Gold, und es wurde sogar bestätigt, dass Lang-GRBs aus Neutronensternverschmelzungen stammen können. Das Rätsel, warum diese spezielle Neutronensternverschmelzung einen so ungewöhnlich langen GRB auslöste, ist damit allerdings nicht gelöst.

„Dieses Ereignis beweist, dass ein lang anhaltender GRB, der aus der Verschmelzung kompakter Doppelsterne entsteht, kein zufälliges Ereignis ist“, sagte Yang und fügte hinzu, dass es noch viele Fragen zu diesen Ereignissen zu beantworten gibt. „Welche aufschlussreichen Erkenntnisse können späte Beobachtungen von Kilonovas über die Nukleosynthese liefern?

„Wir freuen uns auf gemeinsame Beobachtungen von lang anhaltenden Gammastrahlenausbrüchen, Kilonovas und Gravitationswellen in der Zukunft, die dazu beitragen werden, die Geheimnisse solcher Ausreißer zu lüften.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (21. Februar) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.