Kosmische Alchemie: Schaffen Neutronenstern-Kollisionen Brutstätten für Edelmetallatome?

Neutronenstern-Kollisionen: eine Brutstätte für Edelmetallatome

Der Prozess der Sternzerstörung erzeugt kurze Gammastrahlenausbrüche, die wichtige Zusammenhänge zum Verständnis ähnlicher Explosionen liefern können.

Die Verschmelzung weit entfernter Neutronensterne löste einen der stärksten jemals registrierten kurzen Gammastrahlenausbrüche (GRBs) aus. Dies geht aus neuen Beobachtungen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile hervor.

Neutronensterne sind die ultradichten Sternkerne, die nach der Explosion eines massereichen Sterns zurückbleiben. Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, kommt es zu einer dramatischen Explosion, die einen Lichtausbruch erzeugt, der als „Kilonova“ bekannt ist. Bei der Verschmelzung wurden außerdem Gravitationswellen und ein kurzer Ausbruch von Gammastrahlen freigesetzt, wobei zwei dichte Jets in entgegengesetzte Richtungen in den Weltraum schossen.

Am 6. November 2021 registrierte das Röntgen- und Gammastrahlenobservatorium INTEGRAL der Raumfahrtbehörde einen kurzen Gammastrahlenausbruch, woraufhin eine sofortige Warnung ausgegeben und der Swift-Satellit der NASA und andere Satelliten zur Verfolgung des Ausbruchs veranlasst wurden. Der als GRB 211106A katalogisierte Ausbruch dauerte weniger als zwei Sekunden, das Nachglühen der Kilonova leuchtete jedoch viel länger, da der durch die Verschmelzung freigesetzte Partikelstrahl das umgebende Gas anregte.

„Dieser kurze Gammastrahlenausbruch war unser erster Versuch, ein solches Ereignis mit ALMA zu beobachten“, sagte Wen-Fai Fong, ein Astronom an der Northwestern University in Illinois, in einer Erklärung. „Das Nachglühen eines kurzen Blitzes ist schwer einzufangen, daher ist es spektakulär, einen so hellen Blitz einzufangen.“

Künstlerische Darstellung einer Neutronensternverschmelzung (links), die einen relativistischen Partikelstrahl erzeugt, der mit dem umgebenden Gas interagiert und das Nachglühen erzeugt. (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Weiss (NRAO/AUI/NSF))

Durch die von ALMA durchgeführten Beobachtungen im Millimeterwellenlängenbereich und die Erfassung des Nachglühens der Verschmelzung können die Astronomen die Explosionen dieser massereichen Sterne besser verstehen.

„Millimeterwellen können uns etwas über die Dichte der Umgebung eines GRB sagen“, sagte Genevieve Schroeder von der Northwestern University in derselben Erklärung. „Und in Kombination mit Röntgenstrahlen können Millimeterwellen uns die wahre Energie der Explosion verraten.“

Da sich der Jet eines GRB mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, beschleunigt die Stoßwelle Elektronen. Die Strahlungsenergie dieser Elektronen erreicht bei Millimeterwellenlängen ihren Höhepunkt und kann den Astronomen daher Aufschluss über die Gesamtenergie der Explosion geben.

ALMAs Messungen zeigen, dass die von GRB 211106A freigesetzte Gesamtenergie zwischen 2 x 10^50 Erg und 6 x 10^51 Erg liegt, was ihn zu einem der stärksten kurzen GRBs macht, die jemals beobachtet wurden. (Ein Erg entspricht 10^-7 Joule; zum Vergleich: Die Sonne gibt nur 3,8 x 10^33 Erg pro Sekunde ab.

Künstlerische Darstellung zweier Neutronensterne vor ihrer Kollision. (Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center)

Dass GRB 211106A relativ gesehen so hell ist, ist besonders beeindruckend, weil die Verschmelzung irgendwann vor 630 bis 910 Millionen Jahren stattfand und die Galaxie, in der die Verschmelzung stattfand, aufgrund der Ausdehnung des Universums heute etwa 20 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. In dieser Entfernung sind die durch die Verschmelzung freigesetzten Gravitationswellen zu schwach, um erkannt zu werden.

Ein weiterer Vorteil der Beobachtung mit ALMA besteht darin, dass das Nachleuchten bei Millimeterwellenlängen viel länger anhält als bei Röntgenstrahlen. Dies gab den Astronomen mehr Zeit, den GRB-Jet zu untersuchen, der als schmaler Strom beginnt und sich dann allmählich öffnet, wie ein Laserpointer, der einen Punkt auf einer Wand bildet, der größer ist als die Laserbasis.

Das Team von Fong und Schroeder berechnete, dass der Öffnungswinkel des Jets 16 Grad betrug, der größte Winkel, der jemals für einen kurzen GRB gemessen wurde. Dies ist wichtig, da wir einen GRB nur sehen können, wenn der Jet auf uns gerichtet ist. Je breiter der Jet ist, desto größer sind also unsere Chancen, ihn zu sehen.

Diese Schlussfolgerung ist wichtig: Astronomen berechnen die Rate, mit der Neutronensterne im Universum verschmelzen, basierend auf der Anzahl der kurzen Gammastrahlenausbrüche, die wir sehen, und Schätzungen der Winkel, in denen sich die Jets öffnen. Wenn kürzere Gammastrahlenausbrüche Jets mit größeren Öffnungswinkeln aufweisen, könnten Wissenschaftler die Anzahl der auftretenden Neutronensternverschmelzungen überschätzen.

Die Beobachtung von Neutronensternverschmelzungen ist für Astrophysiker nicht nur eine Kuriosität – sie hat Auswirkungen auf die Chemie des Universums. Die durch die Verschmelzung von Neutronensternen erzeugte Energie ist so stark, dass bei diesen Kollisionen einige der schwersten und wertvollsten Elemente im Universum entstehen, etwa Gold, Platin und Silber. Tatsächlich schätzen Wissenschaftler, dass durch die Verschmelzung einzelner Neutronensterne zwischen drei und 13 Erdmassen Gold entstehen könnten. Die kosmische Häufigkeit dieser Elemente hängt daher stark davon ab, wie schnell Neutronensternverschmelzungen stattfinden.

Diese Kollision kann als kosmische Alchemie betrachtet werden, bei der verstreute Edelmetallatome entstehen. Darüber hinaus eröffnet diese Entdeckung den Astronomen ein völlig neues Feld für die Untersuchung kurzer Gammastrahlenausbrüche und ihres Nachglühens. „Wirklich aufregend ist es, zu beobachten, wie diese neuen Techniken nach Jahrzehnten der Beobachtung überraschende Geschenke des Universums freisetzen“, sagte Fong.

Ein Artikel mit einer Beschreibung der Ergebnisse wird in einer der nächsten Ausgaben der Astrophysical Journal Letters erscheinen.

VON: Keith Cooper

GJ: Qing

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