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(Main) Cassiopeia A supernova remnant (inset) graviational wave „chirps“ in gravitational wave signals detected by Ligo/ Virgo/KAGRA(Image credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, CXC/SAO/JPL-Caltech/Steward/O. Krause et al. und NRAO/AUI/ Ligo Kollaboration)

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die derzeitige Generation von Gravitationswellendetektoren die energiereichsten Kernkollaps-Supernovae in Entfernungen „hören“ könnte, die Tausende Male größer sind als derzeit möglich, bis zu 65 Millionen Lichtjahre entfernt, jenseits der Milchstraße und so weit entfernt wie der Virgo-Haufen. Falls möglich, könnte dies den Wissenschaftlern helfen festzustellen, ob der massereiche sterbende Stern, der die entdeckte Supernova auslöst, ein schwarzes Loch oder einen Neutronenstern hinterlässt.

Seit der ersten Entdeckung winziger Wellen in der Raumzeit, die als „Gravitationswellen“ bezeichnet werden und von Kollisionen und Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen herrühren, haben das US-amerikanische Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO), das italienische Virgo und der japanische Kamioka Gravitationswellendetektor (KAGRA) ein völlig neues Fenster zum Kosmos geöffnet und eine leistungsstarke neue Form der Astronomie geschaffen, die es Wissenschaftlern ermöglicht, einige der gewaltigsten Ereignisse im Kosmos zu „hören“.

Die aktuelle Generation von Gravitationswellendetektoren, die zusammen die LIGO-Virgo-Kagra (LVK)-Kollaboration bilden, sollte in der Lage sein, Gravitationswellen von Supernova-Explosionen zu entdecken, die den Tod massereicher Sterne und die Geburt eines Schwarzen Lochs oder eines Neutronensterns markieren – allerdings nur innerhalb der Grenzen der Milchstraße. Bislang ist es ihnen jedoch nicht gelungen, das hohe Zirpen von Supernovae in unserer Galaxie zu hören.

Warum aber erwarten die Wissenschaftler, dass Supernovas mit dem Kosmos über Gravitationswellen kommunizieren?

Einsteins Theorie der Schwerkraft, die allgemeine Relativitätstheorie von 1915, besagt, dass beschleunigte Objekte Gravitationswellen erzeugen. Das bedeutet, dass Schwarze Löcher und Neutronensterne, wenn sie umeinander kreisen, niederfrequente Gravitationswellen aussenden und dann ein hochfrequentes „Zirpen“ dieser Raumzeitwellen erzeugen, wenn sie kollidieren und verschmelzen, wobei in der Regel eine massivere „Tochter“ des Schwarzen Lochs entsteht.

Supernovas, die durch den beschleunigten Kollaps des Kerns eines Sterns verursacht werden, sollten ebenfalls ein Gravitationswellen-Zirpen erzeugen, aber im Gegensatz zu den Rufen von Verschmelzungen zwischen dichten stellaren Überresten wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen wurde dieses kosmische Zirpen noch nicht „gehört“.

„In Anbetracht der derzeitigen Möglichkeiten der LVK-Observatorien und unserer Ergebnisse schätzen wir, dass wir unter optimalen Bedingungen bis zu etwa einem Ereignis pro Jahr nachweisen könnten“, sagte Teammitglied Maurice van Putten, ein Astrophysiker der Sejong-Universität, in einer Erklärung. „Konservativer und vielleicht realistischer, wenn man von weniger günstigen Bedingungen ausgeht und die begrenzten Aktivitätszyklen der Detektoren berücksichtigt, schätzen wir eine Entdeckungsrate von ein paar Ereignissen pro Jahrzehnt.

„Das ist immer noch deutlich mehr als die zwei Ereignisse pro Jahrhundert, die man in der Milchstraße erwartet.“

Schwarzes Loch oder Neutronenstern?

Kernkollaps-Supernovae entstehen, wenn einem massereichen Stern, der mindestens die achtfache Masse der Sonne hat, der Brennstoff für die Kernfusion in seinem Kern ausgeht. Damit endet der Strahlungsdruck nach außen, der den Stern Millionen oder sogar Milliarden Jahre lang gegen seine eigene Schwerkraft gestützt hat.

Da der Kern schnell zusammenbricht, breiten sich Schockwellen nach außen aus und treffen auf die äußeren Schichten des Sterns. Dadurch wird eine Supernova-Explosion ausgelöst, bei der der Großteil der Sternmasse weggesprengt wird. Wenn der Sternkern weiter zerdrückt wird, verwandelt er sich entweder in einen Neutronenstern oder in ein Schwarzes Loch, je nachdem, wie viel Masse nach dem explosionsartigen Ausstoß dieser Materie übrig bleibt.

Das Team konzentrierte sich auf eine besondere Art von Kernkollaps-Supernova, die Typ-1c-Supernova. Diese entsteht, wenn ein massereicher Stern explodiert, nachdem er seine äußere Hülle aus Wasserstoff und Helium verloren hat. Die Animation unten zeigt den Prozess der Typ-1c-Kernkollaps-Supernova.

Gravitationswellenastronomie hört etwas, was die Standardastronomie nicht sehen kann

Der Spin-Verlust eines Schwarzen Lochs wurde bereits als Chirp in Gravitationswellen entdeckt.

Das Gravitationswellensignal GW 170817 stammt von der Verschmelzung zweier Neutronensterne in der elliptischen Galaxie NGC 4993 in etwa 140 Millionen Lichtjahren Entfernung. Darauf folgte ein Gravitationswellen-„Chirp“ mit der Bezeichnung GW 170817B, das den „Spin Down“ des durch die Verschmelzung entstandenen Tochter-Schwarzlochs darstellt. Ein ähnliches Chirp würde man nach einer Kernkollaps-Supernova erwarten, die ein sich schnell drehendes Schwarzes Loch hinterlässt.

GW 170817B wurde im Jahr 2017 während des Beobachtungslaufs 2 (O2) der LVK-Detektoren entdeckt. Während des aktuellen Laufs (O4) sind diese Detektoren fast doppelt so empfindlich wie zuvor. Außerdem wäre das Schwarze Loch, das bei einem solchen Ereignis entsteht, massereicher als das von GW 170817B, was ein leichter zu erfassendes Signal erzeugen würde. Das Team berechnete, dass der Spin-Down eines schwarzen Lochs nach einer Kernkollaps-Supernova mit einem sich schnell ausdehnenden Torus aus Material eine höhere Energieabgabe haben würde, was es genau in den „Sweet Spot“ für die Entdeckung durch die LVK-Detektoren bringen würde. Diese Faktoren veranlassten die Forscher zu der Schlussfolgerung, dass der Horizont für die Entdeckung eines solchen Spin-Down-Chirp um das Tausendfache erweitert werden sollte. Dieses breitere Netz verbessert die Chancen auf die Entdeckung eines solchen Signals beträchtlich.

Ein solches Signal könnte uns etwas über Kernkollaps-Supernovas sagen, was die „traditionelle Astronomie“, die sich auf elektromagnetische Strahlung stützt, nicht kann. Es könnte uns die Art des stellaren Überrests verraten, der in der Supernova entstanden ist, nämlich ob es sich um ein schwarzes Loch oder einen Neutronenstern handelt.

Supernova SN 1987A, eine der hellsten sichtbaren Sternexplosionen, gehört zur Großen Magellanschen Wolke, einer nahe gelegenen Galaxie in etwa 168 000 Lichtjahren Entfernung. (Bildnachweis: ESA/Hubble & NASA)

Um zu veranschaulichen, wie nützlich dies sein könnte, betrachten wir den Supernova-Überrest SN 1987A. Dies ist eine der hellsten Sternexplosionen, die am Himmel zu sehen sind. Sie befindet sich direkt „neben“ der Milchstraße in der Großen Magellanschen Wolke, einer etwa 168.000 Lichtjahre entfernten Zwerggalaxie, und wurde seit ihrer Entdeckung vor 37 Jahren von Astronomen eingehend untersucht. Doch erst in diesem Jahr konnten die Astronomen mit Hilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) feststellen, dass es sich um einen Neutronenstern handelt, der mit Hilfe elektromagnetischer Beobachtungen das Herz von SN 1987A darstellt.

Ein absteigender Gravitationswellenchirp würde einen in einer Supernova vergrabenen stellaren Überrest eindeutig als schwarzes Loch identifizieren, da dies das einzige kosmische Wesen ist, das zu einem solchen Chirp fähig ist; Neutronensterne haben nicht genug Energie zu verlieren, um ein solches Signal zu erzeugen. Ein Nichtnachweis würde zwar nicht beweisen, dass es sich bei einem stellaren Überrest um einen Neutronenstern handelt, aber er würde einige Beweise liefern, die weitere Untersuchungen unterstützen.

„Unsere Studie deutet darauf hin, dass die aktuelle Generation von LVKs zeigen könnte, dass einige Supernovae in ihrer Gravitationswellenemission tatsächlich heller sind als bisher angenommen“, schloss van Putten. „Damit rückt die Gravitationswellenastronomie selbst in Bereichen wie den Kernkollaps-Supernovae, die traditionell das Jagdrevier der ‚elektromagnetischen‘ Astronomen sind, in den Vordergrund.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.