Kurz nach der Bekanntgabe des Physik-Nobelpreises 2017 für die US-Forscher Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne für den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen melden Wissenschaftler den nächsten Durchbruch in dem jungen Feld: Die Observatorien LIGO in den USA und VIRGO in Italien haben erstmals Gravitationswellen eines verschmelzenden Paars Neutronensterne registriert, und in einer beispiellosen weltweiten Beobachtungskampagne, zu der unter vielen anderen auch DESY-Wissenschaftler beigetragen haben, ist es erstmals gelungen, die Quelle dieser Gravitationswellen mit Teleskopen zu identifizieren und zu untersuchen. Mit dem Gravitationswellenereignis wurde eine sogenannte Kilonova identifiziert, ein für wenige Tage überheller Stern, der im sichtbaren Licht sowie in den Bereichen der Infrarot- und Röntgenstrahlung nachgewiesen werden konnte. „Die Beobachtungen bereiten den Boden für eine neue Ära der Multi-Messenger-Astronomie, die Untersuchung kosmischer Objekte mit verschiedenen Himmelsboten“, sagt Marek Kowalski, der leitender Wissenschaftler bei DESY sowie Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin ist und als einer von rund 3600 Forschern von über 900 Instituten weltweit an der Beobachtungskampagne beteiligt war. Auch beim Gammastrahlen-Observatorium H.E.S.S. und dem Neutrinoteleskop IceCube waren DESY-Wissenschaftler an der Suche beteiligt.

Gravitationswellen werden unter anderem ausgesendet, wenn massereiche Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne einander eng umkreisen und schließlich miteinander verschmelzen. LIGO und VIRGO hatten am 17. August 2017 Gravitationswellen mit der charakteristischen Signatur verschmelzender Neutronensterne aufgezeichnet. Nur zwei Sekunden nach diesem Ereignis registrierte der Gammastrahlensatellit „Fermi“ der US-Raumfahrtbehörde NASA aus derselben Richtung einen kurzen Gammastrahlenblitz (sGRB, „short gamma-ray burst“) in einer fernen Galaxie. Diese Koinzidenz beweist die jahrzehntelange Vermutung, dass kurze Gammastrahlenausbrüche durch Verschmelzung von Neutronensternen verursacht werden.

Nachfolgend suchten zahlreiche Teleskope in allen Wellenlängenbereichen nach diesem Ereignis. Als erstes gelang es dem „Swope“-Teleskop der Carnegie-Institution in Chile, die Quelle genauer zu lokalisieren. Zu den zahlreichen Beobachtungen gehören auch Untersuchungen des ePESSTO-Programms mit dem „New Technology Telescope“ (NTT) der Europäischen Südsternwarte ESO, die zeigten, dass es sich um eine Kilonova handelt. Im Strahlungsspektrum dieser Kilonova ließen sich Spuren der chemischen Elemente Cäsium und Tellur nachweisen, wie die Forscher im britischen Fachjournal „Nature“ berichten, das eine ganze Serie wissenschaftlicher Untersuchungen zu dem Gravitationswellenereignis veröffentlicht.

Über den Ursprung solcher „mittelschweren“ chemischen Elemente war lange spekuliert worden. Während leichtere Elemente bis hin zum Eisen durch die Kernfusion in Sternen entstehen und sehr schwere in Supernova-Explosionen, haben Forscher seit einiger Zeit vermutet, dass verschmelzende Neutronensterne mittelschwere Elemente erzeugen können. Diese Vermutung untermauern die ePESSTO-Beobachtungen. „Dass die erste eindeutige Beobachtung einer Verschmelzung zweier Neutronensterne die Modellerwartungen so gut bestätigt und gleichzeitig auf den Ursprung chemischer Elemente hinweist, ist eine atemberaubende Entwicklung“, sagt Kowalski, der Mitglied von ePESSTO ist.

Das H.E.S.S.-Observatorium (High Energy Stereoscopic System) in Namibia, an dem DESY beteiligt ist, hat als erstes erdgebundenes Teleskopsystem den Ursprungsort der Gravitationswellen ins Visier genommen. Fast eine Woche lang beobachteten Iryna Lypova und Eva Leser, Doktorandinnen bei DESY und der Universität Potsdam, Nacht für Nacht die fragliche Himmelsregion mit H.E.S.S. „Die Quelle konnte zwar nicht im Bereich der Gammastrahlen detektiert werden, unsere Beobachtungen erlauben dennoch zum ersten Mal eine Aussage über den maximal möglichen Ausstoß hochenergetischer Strahlung während der Verschmelzung zweier Neutronensterne", erläutert Leser.

In nahezu Echtzeit hat sich auch das internationale Neutrino-Observatorium „IceCube“ am Südpol auf Spurensuche begeben. Das System dafür wurde von Wissenschaftlern bei DESY implementiert, dem größten IceCube-Partner in Europa. Neutrinos erlauben Untersuchungen in Energiebereichen, die über jene mit elektromagnetischer Strahlung zugängliche hinausgehen, und können extreme kosmische Teilchenbeschleuniger nachweisen. Im Jahr 2013 hat IceCube die ersten hochenergetischen Neutrinos kosmischen Ursprungs entdeckt. Zu deren möglichen Quellen, die bisher nicht identifiziert werden konnten, gehören auch Kilonovae. Im Zusammenhang mit dem Gravitationswellenereignis konnte IceCube diesmal jedoch kein Neutrinosignal nachweisen. Das könnte sich bei künftigen Gravitationswellenereignissen jedoch ändern.

Auch Stefan Ohm, Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY, blickt erwartungsvoll in die Zukunft: „Das zukünftige Observatorium für Gamma-Astronomie, das Cherenkov Telescope Array CTA, wird die Empfindlichkeit noch deutlich steigern. Wir befinden uns damit an der Schwelle zu einer neuen Ära, in der wir durch das Zusammenspiel verschiedener Teleskope viele neue Erkenntnisse über unser Universum gewinnen werden.“

 

Originalveröffentlichungen
A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source; Stephen J. Smartt et al.; „Nature”, 2017; DOI: 10.1038/nature24303

TeV gamma-ray observations of the binary neutron star merger GW170817 with H.E.S.S.; The H.E.S.S. collaboration; eingereicht bei „The Astrophysical Journal Letters“; https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/pages/press/2017/gw_hess.pdf

Search for high-energy neutrinos from binary neutron star merger GW170817 with Antares, IceCube and the Pierre Auger Observatory; The Antares, IceCube, Pierre Auger, LIGO and VIRGO collaborations; eingereicht bei „The Astrophysical Journal Letters“; http://www.gw170817.io/GW170817_neutrinos.pdf

 

Weitere Informationen
LIGO-Mitteilungen: http://www.ligo.org/news.php

VIRGO: http://www.virgo-gw.eu

 

Hintergrundinformationen
„Multimessenger Astronomy“; Free eBook by Imre Bartos and Marek Kowalski; IOP Science, 2017; http://iopscience.iop.org/book/978-0-7503-1369-8 (englisch)