Infrarot-Beobachtungen einer Gravitationswellen-Quelle mit Spitzer – eine Verschmelzung zweier Neutronensterne (Originalartikel vom 03.08.2018)

Print Friendly, PDF & Email

Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)

Das Infrarotbild der IRAC-Kamera der Strahlung bei 4.5 Mikrometer durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne, die zuerst von Gravitationswellen-Detektoren entdeckt wurde. Das Bild entstand 43 Tage nach der Verschmelzung. Nach anspruchsvoller Bearbeitung, um ein Großteil eines sehr hellen, nah gelegenen Objekt zu entfernen, kann die Quelle der Verschmelzung oben links, mit roten Balken hervorgehoben, deutlich gesehen werden. NASA / Spitzer / SAO / Villar et al., 2018

GW170817 ist die Benennung für ein Gravitationswellensignal, das am 17. August 2017 von den LIGO- und Virgo-Detektoren aufgezeichnet wurde. Das Signal, von der Verschmelzung zweier Neutronensterne hervorgerufen, konnte ungefähr 100 Sekunden lang aufgezeichnet werden. Die Beobachtung wurde anschließend – das erste Mal, daß dies für Gravitationswellen gelungen ist – durch Beobachtungen mit Lichtwellen bestätigt: Die vorausgegangenen fünf Entdeckungen verschmelzender Schwarzer Löcher lieferten keine (und es wurde auch nicht erwartet, daß es solche gibt) irgendwie meßbaren elektromagnetischen Signale. Das Licht aus der Verschmelzung der Neutronensterne stammt aus dem radioaktiven Zerfall der Atomkerne, die bei diesem Ereignis erzeugt wurden. (Im Übrigen bilden Neutronenstern-Verschmelzungen mehr als nur sichtbares Licht: Sie sind für die Bildung des meisten Goldes im Universum verantwortlich.) Zahlreiche, im optischen Licht erfolgte Beobachtungen der Verschmelzung von der Erde aus lassen den Schluß zu, daß die zerfallenden Atomkerne sich in mindestens zwei Gruppen einteilen lassen, eine sich rasch entwickelnde und schnell bewegende Gruppe von Elementen, doch weniger massereich als die Elemente der Lanthanidenreihe und eine Gruppe, die sich langsamer entwickelt und von schwereren Elementen beherrscht wird.

Zehn Tage nach der Verschmelzung erreichte die Kontinuumsstrahlung bei infraroten Wellenlängen mit einer Temperatur von annähernd 1300 Kelvin den höchsten Wert, kühlte von da an ab und wurde schwächer. Die Infrared Array Camera (IRAC) an Bord des Spitzer-Weltraum-Teleskops beobachtete das Gebiet um GW170817 für 3.9 Stunden in drei Abschnitten 43, 74 und 264 Tage nach dem Ereignis (SAO ist das Heimatinstitut von IRAC-Projektleiter Fazio und seinem Team). Form und Entwicklung des Strahlungsspektrums spiegeln die dort ablaufenden physikalischen Prozesse wieder, wie beispielsweise den Anteil an schweren Elementen in dem Auswurfsmaterial oder die mögliche Rolle von Kohlenstoffstaub. Verfolgt man den Lichtfluß über die Zeit, können Astronomen ihre Modelle und ihr Verständnis darüber weiterentwickeln, was geschieht, wenn Neutronensterne verschmelzen.

Ein Team von CfA-Astronomen mit Victoria Villar, Philip Cowperthwaite, Edo Berger, Peter Blanchard, Sebastian Gomez, Kate Alexander, Tarraneh Eftekhari, Giovanni Fazio, James Guillochon, Joe Hora, Matthew Nicholl und Peter Williams sowie zwei Kollegen beteiligten sich an der Aufgabe, die Infrarot-Beobachtungen aufzunehmen und auszuwerten. Die Infrarotquelle war äußerst lichtschwach und darüber hinaus sehr nah an einer sehr hellen Punktquelle gelegen. Unter Anwendung eines neuen Rechenverfahrens, mit dem die Aufnahmen der IRAC bearbeitet und subtrahiert wurden, um das konstant helle Objekt zu entfernen, konnte das Team die Quelle der Verschmelzung in den ersten beiden Zeiträumen deutlich erkennen, obwohl sie um mehr als einen Faktor von etwa zwei lichtschwächer war als von den Modellen vorhergesagt. Die Quelle wurde im dritten Abschnitt so lichtschwach, daß sie unterhalb der Erfassungsgrenze lag. Doch stehen die Rate des Lichtabfalls und die infraroten Farben mit den Modellen in Einklang; bei diesen Zeitabschnitten hatte sich das Material auf ungefähr 1200 Kelvin abgekühlt. Das Team schlägt mehrere denkbare Gründe für die überraschende Lichtschwächung vor, darunter eine mögliche Umwandlung des Materialauswurfs in einen nebelartigen Zustand und merkt an, daß der neue Datensatz helfen wird, die Modelle zu verbessern.

Die Wissenschaftler heben am Ende ihrer Veröffentlichung hervor, daß zukünftige Messungen der Verschmelzung von Binärsystemen (eine verbesserte LISA wird 2019 ihre Beobachtungen wiederaufnehmen) in vergleichbarer Weise von Infrarot-Beobachtungen profitieren werden und daß die Charakterisierung des infraroten Lichts eine genauere Bestimmung der stattfindenden Kernzerfallsprozesse ermöglichen wird. Das aktuelle Papier der Arbeitsgruppe zeigt zudem, daß Spitzer in der Lage sein sollte, Verschmelzungen bis in eine Entfernung von 400 Millionen Lichtjahren aufzuspüren – ungefähr die Entfernung, die die verbesserte Version von LISA untersuchen können sollte.

Literatur:
„Spitzer Space Telescope Infrared Observations of the Binary Neutron Star Merger GW170817“
V. Villar, Philip Cowperthwaite, Edo Berge, P Blanchard, S. Gomez, K Alexander, R. Margutti, R. Chornock, T. Eftekhari, Giovanni Fazio, J. Guillochon, Joe Hora, M. Nicholl, and P.K.G. Williams
The Astrophysical Journal Letters, 862:L11 (5pp), 2018 July 20

oder

arXiv:1805.08192v1 [astro-ph.HE] 21 May 2018