Das geheime Leben der Neutronensterne

Astrophysiker nutzen Gravitationswellen und Licht, um die Genealogie toter Sterne zurückzuverfolgen und die Geschichte des Universums zu enthüllen.

Vergessen Sie Archäologen und ihre verlorenen Zivilisationen oder Paläontologen mit ihren Fossilien – die Astrophysikerin Heloise Stevance erforscht die Vergangenheit in einem ganz anderen Maßstab. Wenn Astronomen ein ungewöhnliches Signal am Himmel sehen, vielleicht das Licht eines explodierenden Sterns, nimmt Stevance dieses Signal und dreht die Uhr um Milliarden von Jahren zurück. In ihrer Arbeit an der Universität von Auckland in Neuseeland verfolgt sie das frühere Leben von toten und sterbenden Sternen, ein Prozess, den sie stellare Genealogie nennt. „Das Leben der Sterne ist sehr dramatisch“, sagt sie.

Am 17. August 2017 beobachteten Astrophysiker, wie die Überreste zweier toter Sterne, so genannter Neutronensterne, in einer weit entfernten Galaxie miteinander kollidierten. Dieses als Neutronensternverschmelzung bekannte Ereignis wurde durch Wellen in der Raumzeit – bekannt als Gravitationswellen – und durch das von der resultierenden Explosion erzeugte Licht nachgewiesen. Dies war das erste und einzige Mal, dass Wissenschaftler ein solches Ereignis mit Hilfe von Gravitationswellen beobachtet haben. Aus diesen Signalen schlossen sie, dass die Neutronensterne die 1,1 bis 1,6-fache Masse der Sonne hatten. Sie fanden auch heraus, dass bei solchen Kollisionen einige der schwereren natürlichen Elemente im Universum, wie Gold und Platin, entstehen. Doch insgesamt gaben die Signale mehr Rätsel auf als Antworten.

Die Forscher wissen nicht, wie häufig diese Verschmelzungen sind, und sie können nicht sagen, ob sie für die Entstehung aller schweren Elemente im Universum verantwortlich sind oder nur für einen Bruchteil. Wenn Astrophysiker jedoch mehr solcher Verschmelzungen beobachten könnten, ließen sich diese und noch weiter gehende Fragen beantworten – zum Beispiel, wie alt das Universum ist. Hier kann die stellare Genealogie helfen.

In einer Studie, die im Januar in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, nutzten Stevance und ihre Kollegen die Beobachtungen der Kollision, um die Vergangenheit der Neutronensterne zu erforschen. Daraus lassen sich Details über die Milliarden Jahre vor der Kollision ableiten, als die beiden Objekte noch als zwei reguläre Sterne Wasserstoff in ihren Kernen verschmolzen und einander als Einheit umkreisten, die als Doppelsternsystem bekannt ist. Durch ein genaueres Verständnis dieser Doppelsterne und ihrer Entwicklung will ihr Team herausfinden, wie man systematischer nach solchen Verschmelzungsereignissen suchen und sie somit verstehen kann.

Nach der Analyse von Stevance und ihrem Team handelte es sich bei den beiden kollidierten Neutronensternen um die Überreste eines Sterns mit der 13- bis 24-fachen Masse der Sonne bzw. eines anderen Sterns mit der 10- bis 12-fachen Masse der Sonne. Beide begannen vor 5 bis 12,5 Milliarden Jahren zu leuchten, und zu dieser Zeit bestand nur 1 Prozent der Sternzusammensetzung aus Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium waren.

Die Arbeit beschreibt auch die Wechselwirkungen zwischen den beiden Sternen, bevor sie ihren Brennstoff ausbrannten und zu Neutronensternen wurden. Sie begannen in einem Abstand von mehreren zehn Millionen Kilometern, was sich weit anhört, in Wirklichkeit aber deutlich unter der Entfernung zwischen Erde und Sonne liegt. Jeder Stern war von einer Gashülle umgeben, die als Sternhülle bezeichnet wird. Die Modelle von Stevance und ihrem Team ergaben, dass im Laufe der Lebenszeit der Sterne die Hülle des einen Sterns den anderen verschlang, d. h. ihre äußeren Gase verschmolzen zu einer einzigen gemeinsamen Hülle – mindestens zweimal.

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Das sind eine Menge Details über zwei weit entfernte Objekte, vor allem wenn man bedenkt, dass die Astrophysiker nur ihr extrem heftiges Ende direkt beobachtet haben. Das Team rekonstruierte eine Stadt aus einem Haufen Staub. Um aus so wenig so viel abzuleiten, kombinierten sie Beobachtungen der Neutronensterne mit Erkenntnissen, die sie bei der Untersuchung anderer Sterne und Galaxien gewonnen hatten, und erstellten ein riesiges mathematisches Modell sowohl der beobachteten als auch der hypothetischen Sterne. Das Modell enthält detaillierte Beschreibungen der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und anderer Merkmale von 250.000 verschiedenen Sterntypen, von ihrem Inneren bis zu ihrer Oberfläche, und wie sich diese Eigenschaften ändern, wenn jeder Stern Brennstoff verbrennt und schließlich stirbt. Darüber hinaus kann das Modell ganze Galaxien simulieren, die jeweils mehrere Ansammlungen von Sternen unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung enthalten.

Um die Vergangenheit der verschmolzenen Neutronensterne aufzudecken, arbeiteten Stevance und ihre Kollegen daran, die für die Neutronensterne beobachteten Daten in ihrem Modell zu replizieren, das ihnen dann die wahrscheinlichsten Szenarien für die Zeit vor der Verschmelzung der beiden Sterne liefern konnte. So kamen sie beispielsweise zu dem Schluss, dass die Sterne aufgrund der Zeit, die die beiden Objekte für die Kollision benötigten, mehrfach eine Hülle teilten. Wenn zwei Doppelsterne ihre Hüllen verschmelzen, erzeugen die Gase in der gemeinsamen Hülle eine Widerstandskraft, die die Umlaufbahn der Sterne verlangsamt, wodurch sich die Sterne spiralförmig aufeinander zu bewegen und der Abstand zwischen ihnen schnell schrumpft. Um so schnell zu verschmelzen, wie es bei den übrig gebliebenen Kernen der Fall war, mussten die Sterne ihre Hüllen mehrmals teilen.

Die Arbeit an dieser Neutronensternverschmelzung stützt sich auf jahrzehntelange Forschung in der Astronomie. Stevances Kollegen begannen vor 15 Jahren mit der Formulierung ihres Sternenmodells, um Himmelsobjekte in extrem weit entfernten Galaxien zu untersuchen, sagt Jan Eldridge, Dozent für Astrophysik an der Universität von Auckland und einer der Mitarbeiter von Stevance. „Als wir dieses Modell entwickelt haben, waren wir noch Jahre davon entfernt, Gravitationswellen zu entdecken“, sagt Eldridge. Dieses 15 Jahre alte Modell wiederum basiert auf Sternmodellen, die Astronomen in den 1970er Jahren erstellt haben. Die Arbeit veranschaulicht den langen, oft umständlichen wissenschaftlichen Prozess: Generationen von Astronomen, die an tangentialen Fragen zu Sternen arbeiten, tragen Jahrzehnte später ungewollt zu einer neuen Entdeckung bei.

Darüber hinaus haben Stevance und ihr Team ihre Arbeit als Open Source zur Verfügung gestellt, so dass weitere Forscher die Uhr bei anderen stellaren Aktivitäten zurückdrehen können. Forscher könnten den Rahmen nutzen, um Supernovae zu untersuchen, die brillanten Explosionen massereicher Sterne, sagt Peter Blanchard von der Northwestern University, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Wenn Astrophysiker mehr dieser verschiedenen Arten von Explosionen untersuchen, bei denen viele Arten von schweren Elementen entstehen, können sie besser erklären, woher alle Elemente im Universum stammen. Es ist wahrscheinlich, dass beim Tod von Sternen Gold und Uran geschmiedet wurden, die schließlich mit anderen Elementen zur Bildung der Erde verschmolzen, Milliarden von Jahren bevor wir sie zu Schmuck oder Waffen verarbeiten konnten.

Um die Genealogie der Neutronensterne vorhersagen zu können, musste Stevances Modell auch Eigenschaften der Galaxie ableiten, die sie beherbergt hat, z. B. die Art der Elemente, die in dieser Galaxie enthalten sind, und ob diese gleichmäßig über sie verteilt sind. Dieses Wissen wird uns helfen, in Zukunft nach weiteren Verschmelzungen zu suchen, sagt der Astrophysiker Hsin-Yu Chen von der University of Texas in Austin, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Wenn die Forscher weitere Neutronensternverschmelzungen finden, möchte Chen sie nutzen, um herauszufinden, wie schnell sich das Universum ausdehnt, was für die Berechnung seines Alters notwendig ist. Chen kann das Gravitationswellensignal einer Verschmelzung nutzen, um die Entfernung von der Erde zu diesen Neutronensternen zu berechnen. Durch die Analyse des Lichts, das bei der Verschmelzung ausgesendet wird, kann sie dann abschätzen, wie schnell sich die Neutronensterne fortbewegen – und damit die Expansionsrate bestimmen. Astrophysiker haben bisher mit unterschiedlichen Methoden zwei sich widersprechende Raten für die Ausdehnung des Universums berechnet und möchten daher weitere Verschmelzungen beobachten, um den Konflikt zu lösen.

Das Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, das die Neutronensternverschmelzung mit seinen beiden Detektoren in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana aufgespürt hat, soll im Mai 2023 nach einer zweijährigen Aufrüstungsphase wieder in Betrieb gehen. Dann werden die Forscher voraussichtlich 10 Neutronensternverschmelzungen pro Jahr nachweisen können – eine gute Gelegenheit, um der Frage nachzugehen, wie alt das Universum ist. „Die nächsten Jahre werden sehr aufregend sein“, sagt Blanchard. Es waren auch ein paar Milliarden Jahre sehr aufregend.