Dass zunächst die Gerüchte fliegen, war ja bereits bei der ersten Entdeckung von Gravitationswellen so. Jetzt, etwa seit Mitte August, gibt es neue Gerüchte um einen ganz besonderen weiteren Nachweis – den der Verschmelzung von zwei Neutronensternen. Der zitierte "Spektrum"-Beitrag fasst gut zusammen, worum es geht; hier von meiner Seite nur einige Kommentare zu bestimmten Aspekten, die ich besonders interessant finde.

Es gibt nämlich eine ganze Reihe von Gründen, warum der neue Nachweis potenziell so spannend ist. Also: Sind in der unauffälligen elliptischen Galaxie NGC 4993 zwei Neutronensterne verschmolzen? Und konnten die entsprechenden Gravitationswellen nachgewiesen werden?

Bislang sind drei Gravitationswellennachweise veröffentlicht, und alle drei stammten von der Verschmelzung je zweier Schwarzer Löcher. Gravitationswellen sind ja gerade deshalb derart reizvoll, weil sie Informationen zum Beispiel über die Regionen direkt an der Grenze zum Schwarzen Loch enthalten. Die Messungen der ersten drei Ereignisse bestätigten, dass die Computersimulationen auf Basis der allgemeinen Relativitätstheorie die gemessenen Wellenformen gut beschreiben.

Was ist dran an den Gravitationswellengerüchten?

Jetzt also sollen zwei Neutronensterne kollidiert sein, jeder davon der Rest eines massereichen Sterns. Ob wir Neutronenmaterie verstehen, ist eine deutlich spannendere Frage als die, ob sich Schwarze Löcher verhalten wie erwartet. Und Gravitationswellensignale einer Neutronensternverschmelzung würden uns zeigen, ob unsere Modelle für Neutronensterne richtig sind oder nicht.

Die Neutronensternmodelle sind deutlich flexibler als die allgemeine Relativitätstheorie, mit der sich die Dynamik zweier Schwarzer Löcher beschreiben lässt. Das macht Tests, ob die vielen Annahmen in diesen Modelle zu richtigen Voraussagen führen, eben sehr interessant. Eine ganze Reihe von Daten liefern uns bereits so genannte Pulsare, also rotierende Neutronensterne, die wie kosmische Leuchttürme ihre Umgebung mit großer Regelmäßigkeit mit eng gebündelter Strahlung überstreichen. Aber viele Fragen zu Neutronensternen sind noch offen.

Das betrifft so elementare Modellbausteine wie die Zustandsgleichung, also den Zusammenhang zwischen Dichte und Druck der Materie in diesen Objekten. Bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne und der dabei stattfindenden Aussendung von Gravitationswellen spielt dieser Zusammenhang eine wichtige Rolle. Anhand der Signale lassen sich Rückschlüsse zumindest auf einige Eigenschaften der Zustandsgleichung ziehen. Das wäre dann nicht nur eher langweiliges Einstein-Bestätigen, sondern richtige Gravitationswellenastronomie.

Ein Schwarzes Loch mit Ring

Die erste vollständige Computersimulation, die realistisch nachweisen konnte, wie Neutronensterneigenschaften und die Gravitationswellensignale verschmelzender Neutronensterne zusammenhängen, stammt von Luca Baiotti, Bruno Giacomazzo und Luciano Rezzolla, damals alle mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam affiliiert. Aus dem Artikel folgte nicht nur, dass die Gravitationswellensignale tatsächlich von den Eigenschaften der Neutronensternmaterie abhängen, sondern noch ein anderes Phänomen, das womöglich ein kosmisches Rätsel löst.

Die Bilder zeigen eine Simulation von zwei Neutronensternen, die zu einem Hypermassiven Neutronestern (HMNS) verschmelzen.
© Bruno Giacomazzo und Luciano Rezzolla (AEI), Ralf Kähler (AEI/ZIB)
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernVerschmelzende Neutronensterne
Verschmelzende Neutronensterne, links oben nach rechts unten: Zunächst bildet sich ein hypermassereicher Neutronenstern (Mitte rechts), dann ein Schwarzes Loch mit Ring.

Wenn zwei Neutronensterne verschmolzen sind, wie im Bild Mitte rechts der Fall, ist zu viel Masse da, und der "hypermassereiche Neutronenstern" kollabiert binnen Sekundenbruchteilen zu einem Schwarzen Loch (graue Kugel in den unteren beiden Bildern). Das Schwarze Loch ist allerdings, das zeigen die Simulationen von Baiotti und Kollegen ganz eindeutig, noch von einem Ring von Neutronenmaterie umgeben. Und auf solch ein Ergebnis hatten die Astronomen sehnlichst gewartet: Es könnte nämlich die Entstehung von kurzen Gammablitzen erklären, die zu den energiereichsten und rätselhaftesten Ereignissen im Kosmos gehören.

Man kennt heute zwei Sorten von Gammablitzen: Kurze mit weniger als zwei Sekunden Dauer, lange mit im Mittel etwas mehr als einer halben Minute. Für die langen Gammablitze sind demnach mit einiger Wahrscheinlichkeit Hypernovae verantwortlich, die großen Brüder einer Supernova-Explosion. Die derzeit wahrscheinlichste Erklärung für kurze Gammablitze dagegen sind verschmelzende Neutronensterne – und die Simulationen von Baiotti et al. erklären die Entstehung der hochenergetischen Strahlung.

Gammablitze durch Neutrinos

Durch extrem hohe Temperaturen in der Ringmaterie entstehen demnach Teilchen-Antiteilchen-Paare; Neutrinos und Antineutrinos entkommen der Ringmaterie und vernichten sich außerhalb des Rings. Dabei entsteht der energiereiche Strahlungsblitz. Die Simulation von Baiotti und Kollegen zeigt, dass dieser Verlauf bei Neutronensternverschmelzungen die Regel ist und nicht die Ausnahme – gute Nachrichten für all jene, die hoffen, auf solche Weise die kurzen Gammablitze zu erklären.

Der direkte Nachweis von Gravitationswellen verschmelzender Neutronensterne und die gleichzeitige Beobachtung eines Gammablitzes würden klare Verhältnisse schaffen und zeigen: Ja, verschmelzende Neutronensterne stecken in der Tat hinter den kurzen Gammablitzen.

Allein der Umstand, dass man in solch einem Fall Gravitationswellen und elektromagnetische Strahlung beisammen hätte, wäre bereits sehr spannend. Erstens hätte man damit eben wirklich vielfältige Informationen über ein und dasselbe Ereignis, die sich hervorragend ergänzen würden – viele schöne Daten, um die bestehenden Modelle kritisch auf die Probe zu stellen.

Zweitens sind vielfältige Beobachtungen günstig, um die Gerüchte zu konkretisieren. Nicht weil damit viel mehr weitere Astronomen beteiligt wären und irgendwann jemand nicht mehr dichthält, sondern weil viele der entsprechenden Observatoriumsdaten öffentlich sind. In dem "Spektrum"- beziehungsweise "Nature"-Artikel wird deswegen ja auch ganz direkt gesagt, um welchen Gammablitz es sich vermutlich handelt.

Laut der Liste des Fermi-Teleskops, die hier online verfügbar ist, gab es am 17. August 2017 kurz nach 12:41 UT eine ganze Reihe von möglichen Gammablitzkandidaten, die der Satellit dann tunlichst gleich untersuchen sollte. Auch der ESA-Gammastrahlensatellit INTEGRAL hat den Ausbruch zu genau derselben Zeit nachgewiesen.

Völker der Welt, blickt auf diese Galaxie!

Die Observatorien der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile sind zu dem Zeitpunkt noch nicht involviert. Das ändert sich am 18. August: Schaut man sich für diesen Zeitraum die im ESO Science Archive verfügbaren Metadaten für die einzelnen Teleskope an, dann findet man seltene Eintracht: Gleich drei der vier VLT-Hauptteleskope am Paranal-Observatorium, jedes davon mit einem 8-Meter-Spiegel, sind auf den gleichen Punkt am Himmel gerichtet; ebenso das New Technology Telescope und das 2,2m MPG/ESO-Teleskop auf La Silla.

Das FORS2-Instrument UT1 sagt auch, was es beobachtet: einen GRB, also einen Gamma Ray Burst. Am angegebenen Ort finden wir die schon bekannte unauffällige elliptische Galaxie. Just ein paar Tage später schaut ebenfalls das Hubble Space Telescope ein paar Mal auf dieses Himmelsobjekt.

Ich will an dieser Stelle gar nicht zu sehr in die Details gehen. Wir werden früher oder später erfahren, was dort die Aufmerksamkeit der verschiedenen Teleskope gefesselt hat, und ob es etwas mit Gravitationswellen zu tun hatte. Wenn zusammengehörige Beobachtungen gelungen sind, Gravitationswellen hier, elektromagnetische Teleskope dort, deren Verlauf zu ein und demselben Ereignis passt, ist das jedenfalls ein weiterer grundlegender Schritt.

Natürlich haben die LIGO-Betreiber aufwändige Studien betrieben, um die Eigenschaften ihres Detektorrauschens zu verstehen und mit überwältigender Wahrscheinlichkeit ausschließen zu können, dass sie Rauschen und Signal verwechseln. Aber eine komplett unabhängige Bestätigung mit herkömmlichen Teleskopen, die im Vergleich zu Gravitationswellendetektoren auf völlig unterschiedlichen Prinzipien basieren, ist noch einmal eine ganz andere Ebene der Bestätigung.

Die neue Entfernungsleiter

Ich persönlich finde am spannendsten, was sich aus dem Nachweis verschmelzender Neutronensterne für die Kosmologie ergibt. Auf diesem Wege kann man Entfernungen im Universum auf ganz neue Art messen und die Hubble-Relation unabhängig überprüfen. Die besagt, dass in einem expandierenden Universum die Rotverschiebung einer fernen Galaxie und die Entfernung der Galaxie zu uns direkt zusammenhängen: Je weiter entfernt die Galaxie, desto rascher entfernt sie sich auf Grund der kosmischen Expansion von uns.

Diese Relation ist freilich gar nicht so einfach zu testen. Entfernungsbestimmungen sind in der Astronomie grundlegend schwierig, und um die Entfernungen zu Galaxien zu messen, sind bereits mindestens vier verschiedene Methoden nötig, die man als "kosmische Entfernungsleiter" bezeichnet.

Verschmelzende Neutronensterne oder Schwarze Löcher machen es den Fachleuten einfacher. Direkt aus dem Gravitationswellensignal lassen sich ziemlich genaue Rückschlüsse darauf ziehen, in welcher Entfernung von uns die Verschmelzung stattgefunden hat. Das nützt für sich allein genommen noch nichts, denn für die Hubble-Relation benötigt man außer der Entfernung eben noch die Rotverschiebung, und die sieht man dem Gravitationswellensignal nicht an.

Ganz anders, wenn man dasselbe Ereignis auch im elektromagnetischen Bereich beobachtet und die Heimatgalaxie des Signals identifiziert hat. Die Rotverschiebung einer Galaxie ist in der Regel gut zu bestimmen. Auf diese Weise ließe sich die Hubble-Relation ganz unabhängig von der üblichen kosmischen Entfernungsleiter überprüfen; das hat zuerst Bernard Schutz, der Exdirektor meines ehemaligen Instituts, bemerkt und 1986 veröffentlicht.

Wie schnell dehnt sich das Universum aus?

Mit zehn solchen Ereignissen bis hinaus zu einer Entfernung von 100 Megaparsec, so seine Abschätzung, ließe sich die so genannte Hubble-Konstante, welche die derzeitige Ausdehnungsrate des Universums beschreibt, mit einer Genauigkeit von 3 Prozent bestimmen.

Das wäre gerade zum jetzigen Zeitpunkt sehr interessant für die Kosmologen. Derzeit sind leicht unterschiedliche Werte für die Hubble-Konstante im Umlauf: ein etwas geringerer Wert, bestimmt aus Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und damit weitgehend aus Eigenschaften des sehr frühen Universums (vom Planck Konsortium 2016), und ein etwas größerer Wert, bestimmt durch Messungen an Supernovae vom Typ Ia (Riess et al. 2016). Das folgende Diagramm zeigt die Linien, auf denen die Galaxiendatenpunkte, jeder davon definiert durch Abstand (x-Wert) und Fluchtgeschwindigkeit (y-Wert) der Galaxie, laut Planck bzw. Riess zu liegen kommen sollten, außerdem die derzeit beste Schätzung für die Position von NGC 4993:

Wenn in NGC 4993 tatsächlich eine Neutronensternverschmelzung nachgewiesen wurde und wenn, auch das ist ja nicht klar, diese Verschmelzung tatsächlich in NGC 4993 (und nicht von uns aus gesehen davor oder dahinter) stattgefunden hat, dann wird es möglich sein, den Datenpunkt in diesem Diagramm genauer zu positionieren.

Danach folgen ja hoffentlich noch weitere Datenpunkte, und mit ihnen unabhängige Nachweise dafür, welche der beiden Messungen, Riess oder Planck, unser lokales Universum am besten beschreibt. Spannend ist natürlich, ob die Diskrepanz auf systematischen Fehlern beruht – die werden in der Wissenschaft ja gerne einmal unterschätzt – oder ob sie anzeigt, dass sich das Weltall doch etwas anders verhält, als es unsere Modelle vorhersagen.