Vor 130 Millionen Jahren nimmt die Katastrophe ihren Lauf. Am Rand der Galaxie NGC 4993, die auf Teleskopaufnahmen als verschwommener Lichtfleck im Sternbild Wasserschlange erscheint, kommen sich zwei ausgebrannte Feuerkugeln bedrohlich nahe. Die Schwerkraft zwingt die beiden aberwitzig kompakten Objekte – so genannte Neutronensterne – in einen rasanten Walzer, der mit jeder Umdrehung ein klein wenig enger wird. Am Ende wirbeln die beiden Objekte fast mit Lichtgeschwindigkeit umeinander.

Schließlich krachen sie ineinander und verschmelzen zu einem noch schwereren Masseklumpen, vermutlich einem Schwarzen Loch. Mindestens genauso brachial geht es im Umfeld dieses Friedhofs zu: Dort zündet eine gewaltige Explosion, die Bündel intensiver Gammastrahlung ins All feuert. Solch ein "Gamma Ray Burst", von Physikern eher emotionslos "GRB" genannt, zählt zu den größten Katastrophen in einem an Katastrophen nicht gerade armen Kosmos: Binnen weniger Sekundenbruchteile wird hier das Energieäquivalent von schätzungsweise 50 Milliarden Milliarden Milliarden Wasserstoffbomben freigesetzt.

Für das kosmische Umfeld, sofern es von der Strahlung getroffen wird, ist das ein Todesurteil: Atmosphären werden ins All geblasen, Planeten sterilisiert, etwaige Einzeller und höhere Lebewesen gegrillt. Für ferne Beobachter ist die Katastrophe hingegen ein nettes Feuerwerk: Ein Gammastrahlungsausbruch ist so gewaltig, dass man ihn noch am anderen Ende des Universums sehen kann.

Eine halbe Sekunde lang flackert die Galaxie auf

Am 17. August. 2017, nach einer sehr langen Reise durch die Dunkelheit, erreichte die Kunde aus der Galaxie NGC 4993 die Erde: Einen Augenblick lang flackerte der fahle Punkt im Gammalicht auf. Für Astrophysiker auf der Erde sind solche "kurzen" GRBs eigentlich Routine: Mehrmals pro Woche registrieren spezielle Detektoren einen der wenige Sekunden währenden Helligkeitsausbrüche. In einer der vielen Milliarden Galaxien am Firmament ist eben immer Weltuntergang.

Die Galaxie NGC 4993
© ESO / VIMOS-Bild der Galaxie NGC 4993 / CC BY 4.0 CC BY
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDie Galaxie NGC 4993
Im August 2017 leuchtete am Rand der 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie NGC 4993 plötzlich ein heller Punkt auf – eine Kilonova, die von zwei verschmelzenden Neutronensternen hervorgerufen wurde.

Auf der Erde schwenken in der Regel ein paar Teleskope in die Richtung eines GRB, um ein paar Bilder des glimmenden Trümmerfelds zu machen. Hätte der Blitz aus der Galaxie NGC 4993 die Erde ein paar Jahre früher erreicht, wäre es wohl dabei geblieben: Ein Eintrag in einer Astrophysiker-Datenbank und ein paar Fachveröffentlichungen, schließlich fand "GRB 170817A" vergleichsweise nah an der Erde statt – aus Sicht von Kosmologen zählt eine 130 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie praktisch zur Nachbarschaft.

Doch im Fall von NGC 4993 kam es anders. Letztlich beobachteten am 17. August 2017 und in den Wochen darauf rund 70 Teleskope die fahle Galaxie, die Wilhelm Herschel bereits zu Zeiten der Französischen Revolution entdeckt hatte. Kurz darauf machten Gerüchte auf Twitter die Runde, Journalisten durchpflügten die im Internet einsehbaren Beobachtungslogbücher von Observatorien und berichteten über eine sich anbahnende "Astrophysik-Sensation".

Die Gravitationswellen kollidierender Neutronensterne

Seit diesem Montag herrscht nun Gewissheit. Wie Wissenschaftler unter anderem auf Pressekonferenzen in Washington D.C. und Garching verkündeten, wurde die Menschheit erstmals Zeuge der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Noch bevor es zur Bildung des Schwarzen Loches und der gewaltigen Gammastrahlen-Explosion kam, versetzten die Kugeln die Raumzeit in Schwingung. Diese Gravitationswellen genannten Erschütterungen haben Wissenschaftler am 17. August aufgefangen und ihren Ursprungsort grob lokalisiert. Dies veranlasste Astronomen in aller Welt dazu, NGC 4993 intensiv mit Dutzenden Teleskopen zu beobachten.

Simulation verschmelzender Neutronensterne
© Numerisch-relativistische Simulation: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) und BAM-Kollaboration Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernVerschmelzende Neutronensterne
Numerisch-relativistische Simulation zweier einander umkreisender und verschmelzender Neutronensterne. Dargestellt sind die Dichteverteilungen der beiden Neutronensterne bei der Kollision. Höhere Dichte (das Innere der Neutronensterne) ist blau dargestellt, geringere Dichte (Hülle der Neutronensterne) ist rot dargestellt.

Gravitationswellen sind eine Vorhersage von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Ihr zufolge lassen alle beschleunigten Massen die Raumzeit zittern – je größer die Masse, desto heftiger die Erschütterung. Im September 2015 hatten die beiden vier Kilometer großen Messstationen des LIGO-Observatoriums (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in den USA solch ein kosmisches Beben erstmals nachgewiesen. Damals ging es von zwei Schwarzen Löchern aus, die in etwa 1,4 Milliarden Lichtjahren Entfernung verschmolzen sind – eine Entdeckung, für die drei LIGO-Forscher Anfang Oktober den Physik-Nobelpreis zugesprochen bekamen.

Die Forscher haben doppelt Glück

Seit Jahren haben Wissenschaftler gespannt darauf gewartet, dass LIGO und seinem italienisch-französischen Pendant Virgo auch die Gravitationswellen von Neutronensternen ins Netz gehen. Am 17. August hatten die Forscher letztlich doppelt Glück: Nur vom 1. bis zum 25. August waren LIGO und Virgo gleichzeitig in Betrieb – anschließend wurden beide Detektoren für Modernisierungsarbeiten vom Netz genommen und sollen erst nächstes Jahr wieder an den Start gehen. Virgo hatte außerdem in der Vergangenheit mit technischen Problemen zu kämpfen und ging eigentlich nur mit reduzierter Sensitivität in Betrieb. Der europäische Detektor konnte die Gravitationswellen daher nicht selbst eindeutig nachweisen, aber den Forschern zufolge dabei helfen, den Ursprungsort am Nachthimmel einzugrenzen.

Aber auch die Daten von LIGO alleine sind spannend genug, schließlich stellen sie erstmals einen tieferen Einblick in das Wesen von Neutronensternen in Aussieht. Die ultrakompakten Objekte sind weniger berühmt, aber mindestens genauso bizarr wie Schwarze Löcher. Beide Objekte können entstehen, wenn einem besonders großen Stern der Brennstoff ausgeht. Dann erlischt von einem Moment auf den nächsten das Feuer der Kernfusion, und der stellare Aschehaufen stürzt unter seiner eigenen Schwerkraft zusammen.

Je nach Masse des Sterns kollabiert der Himmelskörper entweder zu einem Schwarzen Loch, in dem alle einfallende Materie bis zur Unkenntlichkeit zerstückelt wird und aus dem nicht mal mehr Licht entkommen kann. Ist der Stern hingegen etwas leichter, verdichtet sich die Materie zu einem Neutronenstern. In ihm können sich die namensgebenden Neutronen gerade so gegen den Kollaps stemmen, dank einer quantenphysikalischen Gegenkraft, die auf eine Überlegung des berühmten Physikers Wolfgang Pauli zurückgeht (das "paulische Ausschlussprinzip").

So weit zumindest die Theorie. Wie es im Inneren von Neutronensternen wirklich aussieht, welche Dichte die bizarren Objekte haben und welches Volumen sie einnehmen – all das konnten Wissenschaftler bisher nur grob abschätzen oder am Computer simulieren. Da Neutronensterne praktisch nicht leuchten, hat noch niemand ein Foto von ihnen gemacht. Bisher gaben daher nur spezielle Neutronenstern-Paare Auskunft, bei denen einer der Sterne entlang eines rotierenden Kegels Radiowellen ins All feuert. Mit Hilfe solcher Pulsare konnten Physiker immerhin ermitteln, dass Neutronensterne ein paar Dutzend Kilometer groß und ein- bis zweimal so schwer wie die Sonne sein müssten.

Gravitationswellen sollten deutlich tiefere Einblicke ermöglichen. Anhand der Form der Wellen können Wissenschaftler minutiös rekonstruieren, was für ein Ereignis sie hervorgebracht hat. In der Tat haben die Theoretiker von LIGO und Virgo die Neutronenstern-Massen in NGC 4993 auf Basis des 100 Sekunden währenden Raumzeitbebens genauer als bisher berechnet: Demnach kollidierten zwei Objekte, die zwischen 1,1- und 1,6-mal so schwer wie unsere Sonne waren.

Aus der Messung lässt sich auch ableiten, dass sich Neutronensterne weniger leicht durch Gezeitenkräfte verformen lassen, als Wissenschaftler angenommen haben. Wer allerdings gehofft hat, dass Physiker mit der ersten Gravitationswellenmessung das Innere der exotischen Materiekugeln entschlüsseln, dürfte ein wenig enttäuscht sein: Zwar konnten die Astrophysiker einige Modelle für den Aufbau der Neutronensterne falsifizieren. Welche "Zustandsgleichung" die Materie im Inneren nun wirklich am besten beschreibt, ist allerdings nach wie vor unklar.

Die Quelle der Gammastrahlenausbrüche

NGC 4993 dürfte eher aus einem anderen Grund Physikgeschichte schreiben: Die Gravitationswellen aus der fernen Galaxie sind ein starkes Argument dafür, dass es in der Tat verschmelzende Neutronensterne sind, die kurze Gammastrahlenausbrüche hervorbringen. Das ist zwar seit Jahren die mit Abstand beliebteste Hypothese unter Astrophysikern. Aus Sicht von Fachleuten fehlte hier aber noch der endgültige Nachweis.

Das Neutronenstern-Duo aus NGC 4993 ist ein entscheidendes Puzzlestück in dieser Frage: 1,7 Sekunden nachdem LIGO und Virgo die Gravitationswellen aufgefangen hatten und deren Ursprung auf einen Himmelsbereich eingrenzten, dessen Fläche dem 130-Fachen des Vollmonds am Nachthimmel entspricht, fing der GRB-Detektor an Bord des Forschungssatelliten FERMI einen Blitz aus ebendieser Region auf.

Materie trifft Antimaterie

Die Verzögerung von knapp zwei Sekunden entspricht dabei den Erwartungen: So lange dauert es Simulationen zufolge, bis sich nach der Verschmelzung der zwei massereichen Kugeln ein Ring aus extrem heißen Sternfetzen gebildet hat. In diesem Kranz aus Neutronensternmaterie entstehen einem verbreiteten Modell zufolge laufend Neutrinos und Antineutrinos, die wegen ihrer geisterhaften Beschaffenheit aus dem Inferno entkommen können. Außerhalb des Rings vernichten sich Materie und Antimaterie binnen weniger Sekundenbruchteile wieder, wobei es zu Myriaden von Strahlungsblitzen kommt – die eigentliche Quelle des Gamma Ray Burst.

NGC 4993 wirft hier allerdings Fragen auf: Der Ausbruch fiel weniger stark aus als frühere, auf den ersten Blick vergleichbare GRBs, sagt Alessandra Buonanno vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Das ließe sich dadurch erklären, dass der Hauptteil des entlang eines schmalen Kegels ausgestoßenen Gammalichts knapp an der Erde vorbeiflog. Allerdings sind auch andere Ursachen denkbar. "Es bleiben also noch Rätsel bestehen", sagt Buonanno.

In einem anderen Punkt sind sich die Wissenschaftler sicherer: dass NGC 4993 Aufschluss über die Herkunft sehr schwerer Atomkerne im Kosmos geben kann. So können in Sternen nur Nuklide bis zur Größe von Eisen entstehen. Im All gibt es jedoch auch deutlich massivere Kerne, beispielsweise Gold, Platin oder Uran. Als plausibelster Entstehungsmechanismus gilt der intensive Beschuss mit rasant durchs All sausenden Neutronen (der so genannte r-Prozess). Er kann aber nur in einer extrem heißen und neutronenreichen Umgebung stattfinden, wie sie beispielsweise die Trümmerwolke eines Neutronenstern-Crashs böte.

Wo die schweren Elemente herkommen

Den schlagenden Beweis liefern hier aus Sicht der Forscher die Nachbeobachtungen von NGC 4993 mit einer ganzen Schar von Teleskopen. Einen halben Tag nach dem Gammastrahlenblitz nahmen zahlreiche Forscherteams die Galaxie mit ihren Instrumenten in Augenschein. Sofort fiel den Astronomen ein hell leuchtender Punkt am Rand der elliptischen Galaxie auf, der im Lauf der darauf folgenden Wochen sowohl in sichtbarem Licht, im Infrarot, in Röntgenstrahlen und schließlich sogar im Radiowellenbereich strahlte, was Astronomen in aller Welt mit großem Aufwand dokumentierten.

Kilonova
© Sarah Wilkinson / LCO, nach Daten von Arcavi, I. et al.: Optical emission from a kilonova following a gravitational-wave-detected neutron-star merger. In: Nature 10.1038/nature24291, 2017
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDer Verlauf der Kilonova
Über Wochen hinweg konnten Astronomen in aller Welt die Kilonova in der Galaxie NGC 4993 beobachten. Bereits in den ersten Tagen nahm ihre Helligkeit stark ab und die Farbe des Lichts verschob sich von blau nach rot.

Insgesamt passten die Beobachtungen gut zu dem, was man von einer "Kilonova" erwarten würde: Einer von der ursprünglichen Explosion ins All gefeuerten Hülle aus Sternmaterial, die sich mit einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen ausbreitet und noch nach Wochen große Mengen von Strahlung aussendet. In dieser Blase entstehen wegen der extremen Bedingungen an manchen Stellen über den r-Prozess enorme Mengen schwerer, radioaktiver Atomkerne, die bald darauf zerfallen und charakteristische Strahlung aussenden. "Das passt alles wunderbar zusammen", sagt Buonanno.

Ob die Argumentation der Wissenschaftler lückenlos ist, wird sich vermutlich erst in den kommenden Wochen und Monaten zeigen, wenn etliche unbeteiligte Experten die Gelegenheit hatten, die Fachaufsätze zu prüfen. Die Kollegen der beteiligten Himmelsforscher haben einiges zu lesen: In den Magazinen "Nature", "Nature Astronomy", "Physical Review Letters", "Science" und "The Astrophysical Journal Letters" sind Arbeiten zu der Entdeckung erschienen. Insgesamt waren Tausende Forscher an der Beobachtung von NGC 4993 beteiligt.

Manche Frage wird sich derweil erst abschließend beantworten lassen, wenn die Wissenschaftler in den kommenden Jahren noch weiteren Neutronensternverschmelzungen beiwohnen können. Dazu zählt unter anderem eine unabhängige, präzise Bestimmung der Expansionsgeschwindigkeit des Kosmos. Diese Hubble-Konstante sorgt seit Längerem für Kontroversen unter Wissenschaftlern, weil bisherige Messmethoden zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. In einer der Veröffentlichungen geben die Forscher einen neuen Wert für die wichtige Größe an, der jedoch noch mit einer großen Messunsicherheit behaftet ist.

In jedem Fall wird der 17. August 2017 als Glückstag der Astronomie in Erinnerung bleiben, vielleicht am ehesten vergleichbar mit der Supernova-Explosion in der Großen Magellanschen Wolke im Jahr 1987: Ein Moment, in dem Scharen entzückter Wissenschaftler alles stehen und liegen ließen, um Zeuge einer gewaltigen Explosion zu werden. Dass etwaige Bewohner der Galaxie NGC 4993 genauso erfreut über den Gammastrahlenausbruch waren, darf hingegen bezweifelt werden.

Mehr über die jüngste Entdeckung lesen Sie in diesem Interview mit dem Gravitationswellenforscher Karsten Danzmann.