Zwei Neutronensterne kollidieren

Wie zwei tote Sterne zusammenstoßen, Gold schmieden und 130 Millionen Jahre später von der Erde aus gehört und gesehen wurden

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Schritt für Schritt

Zwei Neutronensterne

Jeder ist der Rest, der blieb, als der Kern eines massereichen Sterns in einer Supernova kollabierte: mehr Masse als die Sonne, zusammengepresst zu einer Kugel von der Größe einer Stadt und größtenteils aus Neutronen. Ihre Schwerkraft ist so stark, dass Licht von ihrer Rückseite zu uns herumgebogen wird; sie wirken daher etwa ein Viertel größer, als sie sind.

Jeder entstand in seiner eigenen Supernova, und doch blieben die beiden aneinander gebunden. Seitdem schrumpft ihre Umlaufbahn, und hier bleibt ihnen gut eine Stunde. Sie liegen in NGC 4993, einer Galaxie im Sternbild Wasserschlange.

Wellen im Raum

Während sie kreisen, erschüttern sie den Raum selbst. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, dehnen den Raum in einer Richtung und stauchen ihn in der anderen, zweimal pro Umlauf.

Die Wellen tragen Energie fort, und die stammt aus der Umlaufbahn: Die Sterne rücken näher zusammen und kreisen schneller. Neutronensterne sind viel leichter als die Schwarzen Löcher, deren Verschmelzung zuerst gehört wurde; ihre Wellen sind daher schwächer und ihre Spirale viel langsamer.

Hier sind die Wellen in der Bahnebene gezeichnet: golden, wo der Raum gedehnt, und blau, wo er gestaucht wird. In dieser Phase heben und senken sie sich sechsmal pro Sekunde, und jede ist etwa 50 000 km lang, viermal so breit wie die Erde.

Immer schneller

Zeitraffer: In der nächsten Stunde rücken die Sterne von 1000 auf 400 km Abstand zusammen und werden auf 12 Umläufe pro Sekunde schneller. Ihre Wellen sind nun schnell genug, dass LIGO und Virgo sie hören.

Je näher sie sich sind, desto schneller bewegen sie sich und desto stärker sind ihre Wellen; die Bahn schrumpft also immer schneller. Von hier an bleiben den Sternen 100 Sekunden, und in dieser Zeit umkreisen sie sich noch fast 2000-mal.

Die Tonhöhe der Wellen ist doppelt so hoch wie die Umläufe pro Sekunde. Bei 24 Schwingungen pro Sekunde kamen die Sterne in Hörweite der beiden LIGO-Detektoren in den USA und von Virgo in Italien, die Wellen von etwa zehn bis einigen tausend Schwingungen pro Sekunde erfassen.

Die letzten 100 Sekunden

Erst Zeitraffer, dann Zeitlupe: In ihren letzten 100 Sekunden rücken die Sterne von 400 km Abstand bis fast zur Berührung zusammen, und die Tonhöhe der Wellen steigt von 24 auf über tausend Schwingungen pro Sekunde.

Das hörten LIGO und Virgo: Tausende Schwingungen in etwa 100 Sekunden, immer höher und stärker, ein viel längerer Chirp als der Sekundenbruchteil, den verschmelzende Schwarze Löcher geliefert hatten. In Ton verwandelt, steigt er an wie ein Vogelruf.

Der lange Chirp erlaubte es, die Sterne genau zu wiegen. Die Kombination ihrer Massen, die bestimmt, wie schnell die Tonhöhe steigt, ergab 1,19 Sonnenmassen, auf ein Tausendstel genau; die Massen selbst weniger genau, etwa 1,46 und 1,27 Sonnenmassen, falls sich die Sterne, wie wahrscheinlich, nur langsam drehen.

Zerrissen

Etwa 2000-fach verlangsamt: Von ihrer gegenseitigen Anziehung gedehnt, berühren sich die Sterne mit 40 % der Lichtgeschwindigkeit. Gezeitenkräfte reißen Arme aus Materie aus ihnen heraus, die mit bis zu einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit davonfliegen.

Die nahe Seite jedes Sterns wird vom anderen stärker angezogen als seine ferne Seite, und in den letzten Umläufen verformen die Gezeiten sie. Beim Zusammenstoß werden ihre äußeren Schichten abgerissen und in zwei gekrümmten Armen fortgeschleudert, wie Wasser aus einem sich drehenden Rasensprenger.

Wo sie aufeinandertreffen, presst und erhitzt der Aufprall Materie auf Hunderte Milliarden Grad, und noch mehr davon spritzt heraus, am schnellsten zu den Polen hin. Was hier wirklich geschieht, kennt man nur aus Simulationen auf Supercomputern, und die gezeigten Formen folgen ihnen nur grob.

Zu schwer, um zu bestehen

Die beiden werden zu einem Stern von etwa 2,7 Sonnenmassen, der sich Hunderte Male pro Sekunde dreht. Zu schwer, um sich lange zu halten, stürzt er zu einem Schwarzen Loch zusammen, umgeben von einer Scheibe aus Trümmern.

Anfangs halten nur seine schnelle Drehung und seine Hitze den verschmolzenen Stern. Die schwersten bekannten Neutronensterne haben kaum mehr als zwei Sonnenmassen, und das Licht dieser Kollision deutet darauf hin, dass der verschmolzene Stern innerhalb eines Sekundenbruchteils kollabierte, zu einem Schwarzen Loch von etwa 15 km Durchmesser.

Gas, das ihn weiter umkreist, bildet eine heiße, dicke Scheibe, die das Schwarze Loch in etwa einer Sekunde verschluckt oder fortbläst. Hier läuft die Zeit erst langsamer, dann schneller, und die Wolke aus fortgeschleuderter Materie ist durchsichtig gezeichnet, damit der Stern und das Schwarze Loch zu sehen sind.

Ein Jet aus Gammastrahlen

Entlang seiner Achse schießt ein schmaler Jet mit fast Lichtgeschwindigkeit heraus. Seine Gammastrahlen, hier violett gezeichnet, erreichten die Erde 1,7 Sekunden nach den Wellen.

Der Jet wird wahrscheinlich von der Drehung des Schwarzen Lochs und dem Magnetfeld der Scheibe angetrieben. Er musste sich durch die bereits fortgeschleuderte Materie bohren. Seine Gammastrahlen, viel zu energiereich für jedes Auge, sind der kurze Blitz, den Astronomen einen kurzen Gammablitz nennen.

Der NASA-Satellit Fermi fing diesen auf, GRB 170817A, etwa zwei Sekunden lang. Er war ungewöhnlich schwach, weil der Jet nicht auf uns zeigte: Spätere Radiobilder zeigten, dass er etwa 20 Grad an uns vorbeizielte. Da er nach 130 Millionen Jahren Reise 1,7 Sekunden nach den Wellen ankam, zeigte er, dass sich die Gravitation mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, auf ein Teil in 10¹⁵ genau.

Eine Kilonova

Zeitraffer: Die fortgeschleuderte Materie, etwa 20 000 Erdmassen, leuchtet, während die neuen schweren Elemente darin zerfallen. Dieses Leuchten, eine Kilonova, strahlte wie Hunderte Millionen Sonnen.

Die neu entstandenen Atome sind instabil und zerfallen über Stunden und Tage, wodurch sie die Wolke von innen heizen. Sie leuchtet etwa tausendmal heller als eine Nova, ein Ausbruch auf der Oberfläche eines Weißen Zwergs; daher der 2010 geprägte Name Kilonova. Dies war die erste, die je beobachtet wurde.

Als sie elf Stunden nach der Kollision entdeckt wurde, leuchtete sie wie etwa 270 Millionen Sonnen und wurde bereits schwächer. Ihre ersten Stunden sah niemand, hier folgen sie Modellen. Sie war bläulich weiß, etwa 10 000 Grad heiß, und dehnte sich mit fast einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit aus.

Gold und Platin

Tage im Zeitraffer: Sie kühlt von bläulich weiß zu rot ab und verblasst. Ihr Licht zeigt, dass Elemente schwerer als Eisen entstanden: Strontium wurde darin gefunden, und auch Gold und Platin bildeten sich.

In der ersten Sekunde nach der Kollision war die fortgeschleuderte Materie so reich an Neutronen, dass Atome sie schneller einfingen, als sie zerfallen konnten, und so Elemente weit schwerer als Eisen aufbauten. Das ist der schnelle Prozess oder r-Prozess; etwa die Hälfte der Elemente, die schwerer als Eisen sind, entsteht vermutlich so.

Schwere Atome namens Lanthanoide, die zusammen mit Gold und Platin entstehen, blockieren blaues Licht; während sich die Wolke verdünnt, wird ihr Licht daher rot und dann infrarot. 2019 wurde Strontium in ihrem Licht nachgewiesen. Wie viel Gold entstand, ist unsicherer: Die Schätzungen reichen von einigen bis zu einigen hundert Erdmassen.

Von der Erde aus gesehen

Am 17. August 2017 um 12:41 UTC zogen die Wellen über die Erde hinweg, 1,7 Sekunden später die Gammastrahlen. Elf Stunden danach fand ein Teleskop in Chile das neue Licht in der Galaxie NGC 4993.

Die beiden LIGO-Detektoren und Virgo grenzten die Quelle gemeinsam auf ein Himmelsfeld von etwa der 130-fachen Fläche des Mondes ein, im Sternbild Wasserschlange, rund 130 Millionen Lichtjahre entfernt. Teleskope in aller Welt durchsuchten die Galaxien dort, sobald es dunkel wurde.

Das Swope-Teleskop in Las Campanas in Chile fand es zuerst: einen neuen Lichtpunkt nahe dem Zentrum von NGC 4993. Innerhalb weniger Tage hatten rund 70 Observatorien auf allen sieben Kontinenten und im All es beobachtet, von Gammastrahlen bis zu Radiowellen. Die Galaxie ist hier nach einem einfachen Modell gezeichnet.

Gehört und gesehen

Es war das erste Mal, dass dasselbe Ereignis in Gravitationswellen gehört und in Licht gesehen wurde. Es zeigte, wo ein großer Teil des Goldes im Universum entsteht.

Es bewies, dass kollidierende Neutronensterne kurze Gammablitze auslösen und schwere Elemente schmieden und dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Stärke der Wellen lieferte die Entfernung, und die Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxie von uns entfernt, eine neue Art, die Ausdehnung des Universums zu messen.

Tage später erschienen Röntgenstrahlen, dann Radiowellen: das Nachleuchten des Jets, das monatelang heller wurde. 2019 hörten die Detektoren ein weiteres Paar Neutronensterne kollidieren, doch Licht wurde dabei nicht gefunden. Bis 2025 blieb dies die einzige Kollision, die sowohl gehört als auch gesehen wurde.