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Astronomen waren Zeugen der gigantischen Kollision zweier Neutronensterne, die das kleinste jemals beobachtete Schwarze Loch hervorbrachte und Edelmetalle wie Gold, Silber und Uran schmiedete.
Der Schnappschuss des Teams von dieser heftigen und gewaltigen Kollision, die sich 130 Millionen Lichtjahre entfernt in der Galaxie NGC 4993 ereignete, wurde mit einer Reihe von Instrumenten erstellt, darunter dem Weltraumteleskop Hubble. Wir hoffen, dass dies ein Bild der „Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft“ der Verschmelzungen dieser dichten toten Sterne zeichnen wird. Dies könnte den Ursprung von Elementen offenbaren, die schwerer als Eisen sind und selbst in den massereichsten Sternen nicht geschmiedet werden können.
Die Kollision und Verschmelzung von Neutronensternen führt zu einer gewaltigen Lichtexplosion namens Kilonova. Da sich die Trümmer dieses Ereignisses nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnen, beleuchtet die Kilonova ihre Umgebung mit Licht, das so hell ist wie Hunderte Millionen Sonnen.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Cosmic DAWN Center des Neils Bohr Institute gelangte zu diesem neuen Bild der Verschmelzung von Neutronensternen, als es begann, die Geheimnisse der Kilonovas zu erforschen.
„Wir können jetzt den Moment sehen, in dem sich Atomkerne und Elektronen im Nachglühen vereinen“, sagte Teammitglied und Forscher des Cosmic DAWN Center, Rasmus Damgaard, in einer Erklärung. Zum ersten Mal werden wir Zeuge der Entstehung von Atomen, können die Temperatur der Materie messen und können die Mikrophysik dieser fernen Explosion sehen. »
„Es ist, als würde man drei kosmische Strahlen bewundern, die uns von allen Seiten umgeben, aber hier können wir alles von außen sehen. Wir sehen vor, während und nach dem Moment der Geburt der Atome.“
Das Gold in Ihrem Schmuck stammt von den gewalttätigsten Ereignissen im Universum
Neutronensterne entstehen, wenn Sterne, die mindestens achtmal massereicher als die Sonne sind, ihren für die Kernfusion benötigten Brennstoff erschöpfen und sich nicht mehr gegen ihre eigene Schwerkraft behaupten können.
Die äußeren Schichten dieser Sterne werden bei Supernova-Explosionen zerstört und zurück bleibt ein Sternrest mit einer Masse von ein bis zwei Sonnen, der auf einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern zerquetscht wird.
Der Kollaps des Kerns zwingt Elektronen und Protonen zusammen, wodurch ein Meer aus Teilchen entsteht, die Neutronen genannt werden. Dieses Material ist so dicht, dass ein einzelner Zuckerwürfel aus Neutronensternmaterial 1 Milliarde Tonnen wiegen würde, wenn er auf die Erde gebracht würde. Das entspricht dem Zusammenpferchen von 150.000.000 Elefanten auf der gleichen Fläche wie ein Würfelzucker.
Es ist wahrscheinlich keine Überraschung, dass dieses extreme und exotische Material eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von Elementen spielt, die schwerer als Eisen sind.
Neutronensterne leben nicht immer isoliert. Einige dieser toten Sterne besetzen Doppelsternsysteme mit einem Begleiter Leben Stern. In seltenen Fällen ist dieser Begleitstern auch massereich genug, um einen Neutronenstern zu erzeugen, und er wird nicht durch die Supernova-Explosion, die den ersten Neutronenstern erzeugt, „herausgeschoben“.
Das Ergebnis ist ein System aus zwei einander umkreisenden Neutronensternen. Diese Objekte sind so dicht, dass sie, wenn sie umeinander wirbeln, Wellen in der Raumzeit (die dreidimensionale Vereinigung von Raum und Zeit) erzeugen, sogenannte Gravitationswellen, die sich durch den Raum bewegen und den Drehimpuls wegtragen.
Wenn das System an Drehimpuls verliert, verengen sich die Umlaufbahnen der Neutronensterne, was bedeutet, dass die Neutronensterne näher zusammenrücken. Dadurch breiten sich Gravitationswellen immer schneller aus und tragen immer mehr Drehimpuls.
Diese Situation endet, wenn Neutronensterne nahe genug sind, dass ihre immense Schwerkraft die Oberhand gewinnt und diese extrem dichten toten Sterne zusammenzieht, sodass sie kollidieren und verschmelzen.
Diese Kollision schleudert neutronenreiche Materie mit Temperaturen von Milliarden Grad, tausendmal heißer als die Sonne. Diese Temperaturen sind so hoch, dass sie denen des schnell expandierenden Universums nur eine Sekunde nach dem Urknall ähneln.
Ausgestoßene Teilchen wie Elektronen und Neutronen tanzen um den Körper herum und werden von kollidierenden Neutronensternen erzeugt, die schnell kollabieren und in einem Plasmaschleier ein Schwarzes Loch bilden, das sich in den nächsten Tagen abkühlt.
Atome in dieser abkühlenden Plasmawolke fangen durch den sogenannten schnellen Neutroneneinfangprozess (R-Prozess) schnell freie Neutronen ein und fangen auch freie Elektronen ein. Dadurch entstehen sehr schwere, aber instabile Partikel, die schnell zerfallen. Dieser Zerfall setzt Licht frei, das Astronomen als Kilonovas bezeichnen, es entstehen aber auch Elemente, die leichter, aber sogar schwerer als Eisen sind, wie Gold, Silber und Uran.
Dieses Team sah das Nachglühen von Partikeln, die gesammelt wurden, um schwere Elemente wie Strontium und Yttrium zu schmieden, und ging davon aus, dass andere schwere Elemente zweifellos als Ergebnis dieser Neutronensternkollision entstanden sind.
„Materie dehnt sich so schnell aus und nimmt so schnell an Größe zu, dass es Stunden dauert, bis das Licht die Explosion durchdringt“, sagte Teammitglied Kasper Heintz, Forscher am Niels-Bohr-Institut. „Deshalb können wir allein durch einen Blick auf das andere Ende des Feuerballs weiter in die Geschichte der Explosion blicken. Näher bei uns hingen die Elektronen an den Atomkernen, aber auf der anderen Seite, auf der anderen Seite des neugeborenen Schwarz.“ Loch, die „Gegenwart“ ist immer noch nur die Zukunft.
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Die Ergebnisse des Teams wären ohne die Zusammenarbeit von Teleskopen auf der ganzen Welt und darüber hinaus nicht möglich gewesen.
„Diese astrophysikalische Explosion nimmt von Stunde zu Stunde dramatisch zu, so dass kein einzelnes Teleskop ihre gesamte Geschichte verfolgen kann. Der Blickwinkel einzelner Teleskope relativ zum Ereignis wird durch die Rotation der Erde blockiert“, sagte Albert Sneppen, Teamleiter und Forscher bei das Neils Bohr Institut. in der Erklärung. „Aber durch die Kombination bestehender Messungen aus Australien, Südafrika und dem Hubble-Weltraumteleskop können wir seine Entwicklung sehr detailliert verfolgen.“
Der Artikel des Teams wurde am Mittwoch, 30. Oktober, in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.