Beobachtungstipp im März 2018

Der Kosmos ist wie ein großes Puzzle an dem die Menschen arbeiten. Manchmal ist es wie ein magisches Puzzle. Viele Teile passen zusammen und man scheint das Motiv zu erkennen, da findet man ein einzelnes kleines Puzzlestück und hat plötzlich ein ganz anderes Bild vor Augen. Solche Wendungen gab es in der Geschichte der Wissenschaft immer wieder, sei es die Vorstellung einer geozentrischen Welt, die unter der Beweislast der heliozentrischen Welt aufgegeben werden musste, wie die Vorstellung der göttlichen Erschaffung des Menschen durch die Darwin'sche Entstehung der Arten. Diese Wendungen in der Wissenschaftsgeschichte sind sicherlich sehr spannend und sorgten gelegentlich auch für gesellschaftliche Umbrüche. Der vernunftbegabte Mensch ist auf der Suche nach seiner Position im Universum. Das Universum ist das Realexistierende, der Kosmos nur ein Abbild der Eigenschaften des Universums, das sich unserer Erfahrung nicht entziehen kann.

Auf der anderen Seite finden die Wissenschaftler Puzzleteile, die wie angegossen ins Bild passen und dem Motiv des Kosmos schärfere Konturen verpasst, so dass wir der Wahrheit des Universums etwas näher kommen. Dies ist genauso wunderbar, weil diese Erfolge zeigen, dass die Bemühungen und das Bestreben nach Wissen nicht vergeblich sind.

Der Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2016 ist ein solches Puzzlestück. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts von Albert Einstein vorhergesagt, sind sie eine Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Einstein im Jahr 1915 veröffentlichte. Der Nachweis dieser theoretisch existierenden Wellen, so glaubt Einstein, würde niemals gelingen, weil die Kräuselungen von Raum und Zeit so klein sind, dass die Empfindlichkeit unserer technischen Geräte nicht ausreichen würden, um sie zu entdecken. Die technische Entwicklung hatte er etwas unterschätzt, aber man muss natürlich sagen, dass diese Art von Forschung mit Spitzentechnologie an der Nachweisgrenze des Möglichen liegt. Es ist so als würde man den Absturz eines Staubkorns in den tosenden Ozean anhand der erzeugten Wasserwelle nachweisen.

Im Februar 2016 gaben die Wissenschaftler bekannt, erstmals Gravitationswellen nachgewiesen zu haben. Die Gravitationswellen entstanden durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren. In den letzten Sekunden vor der Verschmelzung umwanderten sich die Schwarzen Löcher derart schnell, dass ihre Massen ein signifikantes Wellenmuster in die Raumzeit trugen. Dieses Wellenmuster durchzieht seither den Kosmos und erreichte am 14. September 2015 die Erde. Die Interferometer des LIGO-Experiments, die genauesten Maßstäbe der Welt, wiesen die winzige Längenänderung des Raumes, die durch die Gravitationswelle entstanden war, nach. Die gemessene Längenänderung entsprach einem 1/10.000stel Protonendurchmesser, also 0,0000000000000000000001m. Es macht also keinen Sinn, sich das Ergebnis vorzustellen.

Der Nachweis der Gravitationswellen ist ein glänzender Beweis für die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Noch im August 2017 gelang ein weiterer wichtiger Durchbruch, der die Beobachtung von Gravitationswellen zu einem neuen Fenster der beobachtenden Astronomie macht.

Am 17. August 2017 mittags um 12:41 UT detektierte das Weltraumteleskop Fermi einen Gammablitz. Zunächst ist das nichts Ungewöhnliches. Dieses Instrument ist für die Detektion von Gammablitzen konzipiert und beobachtet alle paar Tage einen solchen Gammablitz. Das Fermi-Teleskop ist in der Lage mit einem zweiten Instrument den Ort des Geschehens in Augenschein zu nehmen und binnen einer Sekunde eine Meldung über das Internet abzusetzen, die von vielen Beobachtern genutzt wird, um das optische Nachleuchten des Gammablitzes zu finden.

Sechs Minuten nach diesem Ereignis kam es dann zu der eigentlichen Sensation. Das Team der LIGO-Experten entdeckten das Signal einer Gravitationswelle, deren Muster das Verschmelzen zweier Neutronensterne entsprach. Das Signal traf 1,7 Sekunden vor dem Gammablitz ein. Den der Rest der Zeit benötigten die LIGO-Astronomen, um das Signal aus dem Hintergrundrauschen des Detektors zu extrahieren.

Das Ereignis um die kleinen Wellen schlug in der Astronomiegemeinde große Wellen. Schon nach kurzer Zeit waren mehr als 70 Observatorien mit über 100 Teleskopen mit dem Vorfall beschäftigt. Somit gelang eine einzigartige Dokumentation des Ereignisses in allen verfügbaren Wellenlängen.

Am Abend des gleichen Tages entdeckte ein Teleskop in Chile einen Lichtpunkt in der Galaxie NGC 4993 im Sternbild Wasserschlange. Das optische Pendant zum Gammablitz schien gefunden. Das Großereignis fand in einer Distanz von nur 130 Mio. Lichtjahren statt. Das ist zwar nicht direkt um die Ecke, aber verglichen mit den kosmologischen Distanzen, in denen die Astronomen diese Ereignisse üblicherweise beobachten, liegt die Galaxie schon fast in der Nachbarschaft.

Zunächst waren die Astronomen überrascht, weil der Gammablitz eine größere Distanz vermuten ließ, weil er nicht sonderlich stark war. Allerdings bestätigte die Beobachtung, dass ein Gammablitz eine gebündelte Strahlung ist, die von den Jets an den Polen der Neutronensterne in Richtung Beobachter gesendet werden. Alternativ wäre die Energieerzeugung, die einen globalen Gammablitz dieser Intensität erzeugt, nicht zu erklären. Somit ist anzunehmen, dass der Gammablitz aus NGC 4993 kein Volltreffer gewesen sein muss, also lediglich ein "Streifschuss".

Der zeitliche Ablauf der Verschmelzung zweier Neutronensterne passt sehr gut in die Vorstellung der Astronomen. Kurz bevor die beiden Sterne miteinander in Kontakt traten umkreisten die beiden Protagonisten einander so schnell, dass Gravitationswellen in vorbildlicher Intensität und Wellenlänge ausgesandt wurden. Das Signal, nach dessen akustischer Umsetzung Chirp-Signal genannt, begann kurz vor der Registrierung des Gammablitzes. Die Gravitationswellen sind somit ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs, wie man es sich theoretisch überlegt hatte. Die nachfolgenden Beobachtungen im UV-Bereich bis hin zur Beobachtung der Radiowellen, lieferte wertvolle Aufschlüsse zum Ablauf dieses kosmischen Ereignisses. Immerhin wird die Hälfte aller schweren Elemente durch die Verschmelzung von Neutronensternen erzeugt.

Die Verschmelzung der beiden Sterne setzte eine schnell expandierende Materiewolke frei, die nun das neu entstandene Schwarze Loch umkreist. In dieser Wolke finden energiereiche Prozesse statt, die durch einen Überschuss an Neutronen verursacht werden. Radioaktiver Zerfall setzt dann noch Monate danach Energie frei, die von irdischen Teleskopen gemessen werden kann. Dies ist der Brutofen vieler schwerer Elemente, die sich in der Galaxie anreichern.

Man kann sich vorstellen, dass die Beobachtung im August 2017, die auf vielen Kanälen stattfand und noch einige Zeit fortgesetzt wird, die Astronomen beschäftigt - findet man doch wertvolle Messdaten zu bisher eher theoretischen Modellen.

Solche Ereignisse werden als Kilonova bezeichnet. Die Kilonova in NGC 4993 erreichte eine Helligkeit von 17,3mag und war mit Amateurteleskopen und entsprechender Kameraausrüstung durchaus erreichbar. Es wären zwar nur einige helle Pixel auf dem Bildschirm, aber diese hätten Astronomiegeschichte geschrieben. Die Galaxie NGC 4993 trat in Vergangenheit anscheinend nicht sonderlich in Erscheinung, obwohl sie gleich doppelt im NGC-Katalog vertreten ist. Sie wurde im Jahr 1789 von Wilhelm Herschel entdeckt und 37 Jahre danach nochmal von seinem Sohn John Herschel.

So nimmt die unscheinbare Galaxie im Sternbild Wasserschlange die NGC-Nummern 4993 und 4994 ein. Für uns Mitteleuropäer war die Kilonova wegen der ungünstigen Lage am Himmel nicht zu beobachten. Aber vielleicht klappt's ja beim nächsten Ereignis...

Sternfreundliche Grüße,
Christian Overhaus