Fragen Sie Ethan: Warum kam Licht 1,7 Sekunden später als Gravitationswellen an, als Neutronensterne verschmolzen?

Die Verschmelzung zweier Neutronensterne aus Sicht des Künstlers. Die Verzerrungen des Raum-Zeit-Gitters stellen Gravitationswellen dar, die während einer Kollision emittiert werden, und schmale Strahlen sind Gammastrahlungsstrahlen, die einige Sekunden nach Gravitationswellen schießen (Astronomen sehen sie als Blitze von Gammastrahlen).

Am 17. August traf nach einer Reise von 130 Millionen Jahren ein Signal in Form von Gravitationswellen von zwei Neutronensternen auf der Erde ein, die sich in den letzten Phasen der Fusion spiralförmig aufeinander zu bewegten. Nach der Kollision der Oberflächen zweier Sterne endete das Signal abrupt und es herrschte Stille. Obwohl sich diese Überreste von Sternen mit einem Durchmesser von vielleicht nur 20 km mit einer Geschwindigkeit von etwa 30% des Lichts bewegten, sahen wir unmittelbar nach der Kollision nichts. Und nur 1,7 s später traf das erste Signal ein: Licht in Form von Gammastrahlen. Woher kommt die Verzögerung? Gute Frage von unserem Leser gestellt:

Lassen Sie uns die Bedeutung eines Unterschieds von 1,7 s zwischen dem Zeitpunkt des Eintreffens von Gravitationswellen und dem Gammastrahlenausbruch während des letzten Ereignisses mit Neutronensternen diskutieren.

Mal sehen, was wir gesehen haben und versuchen zu verstehen, woher diese Verzögerung kommt.


Neutronensterne können während der Fusion fast gleichzeitig Gravitationswellen und elektromagnetische Signale aussenden. Die Einzelheiten der Fusion sind jedoch eher vage, und theoretische Modelle stimmen nicht genau mit den Beobachtungen überein.

Während der Annäherung von Neutronensternen vor der Fusion werden die Gravitationswellen stärker. Im Gegensatz zur Schwarzlochfusion gibt es keinen Ereignishorizont und keine Singularität im Zentrum. Neutronensterne haben eine feste Oberfläche, von der 90% aus Neutronen und 10% der Kerne anderer Atome (und Elektronen) auf der Oberfläche bestehen. Es wird vorausgesagt, dass bei der Kollision zweier solcher Oberflächen eine unkontrollierte Kernreaktion auftreten sollte, die Folgendes zur Folge hat:

• Die Freisetzung einer riesigen Menge an Materie, die um ein Vielfaches größer ist als die Masse des Jupiter.
• Die Bildung eines zentralen kollabierten Objekts, höchstwahrscheinlich eines Schwarzen Lochs, und erst nach einigen hundert Millisekunden, wenn wir über die Massen sprechen, die an dem beschriebenen Ereignis beteiligt sind.
• Beschleunigung und Auswurf von Material um konfluente Objekte.

Wir wissen, dass zwei Neutronensterne, deren Simulation im Bild gezeigt wird, Gammastrahlen aussenden und andere elektromagnetische Phänomene verursachen. Die Frage, warum der Gammastrahlenausbruch 1,7 Sekunden nach der Gravitationsfusion auftrat, hat jedoch noch keine klare Antwort gegeben.

Dank Beobachtungen von mehr als 70 Teleskopen und Satelliten in den Spektren von Gammastrahlung bis Radiowellen wissen wir jetzt, dass in solchen Prozessen die meisten schweren Elemente des Periodensystems erzeugt werden. Wir wissen, dass infolge der Fusion höchstwahrscheinlich ein schnell rotierender Neutronenstern erschien, der nach Sekundenbruchteilen in ein Schwarzes Loch zusammenbrach. Und wir wissen, dass das erste elektromagnetische Signal dieser Fusion - hochenergetische Gammastrahlen - 1,7 Sekunden nach dem Ende der Gravitationssignale eintraf. Auf einer Zeitskala von 130 Ma bedeutet dies, dass die Geschwindigkeiten von Gravitationswellen und Licht mit einem Fehler von ^{10-15 gleich sind} .


In den letzten Augenblicken der Fusion senden zwei Neutronensterne nicht nur Gravitationswellen aus, sondern erfahren auch eine katastrophale Explosion, die im gesamten elektromagnetischen Spektrum reagiert. Der Unterschied in der Ankunft zwischen Licht- und Gravitationswellen ermöglicht es uns, viel über das Universum zu lernen.

Aber warum sind Gammastrahlen zu spät? Warum kamen sie nicht gleichzeitig mit den Gravitationswellen? Es gibt zwei mögliche Optionen:

1. Gammastrahlen wurden 1,7 Sekunden nach dem ersten Kontakt der Oberflächen von Neutronensternen emittiert.
2. Gammastrahlen wurden fast sofort emittiert, aber durch den Durchgang von Materie, die die Szene umgab, verzögert.

Der Haken ist, dass sich die wahre Antwort als eine Kombination beider Faktoren oder als eine unwahrscheinliche Alternative herausstellen kann, die exotische Physik einschließt (ein geringfügiger Unterschied in der Geschwindigkeit von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen). Mal sehen, wie beide Optionen gespielt werden können.


Während des Spiralansatzes und der Verschmelzung zweier Neutronensterne sollte eine große Menge an Energie austreten sowie das Auftreten schwerer Elemente, Gravitationswellen und elektromagnetischer Signale

Verzögerung beim Auftreten von Gammastrahlung: Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, senden sie Gammastrahlen aus. Die führende Theorie der letzten 20 Jahre über das Auftreten kurzer Gammastrahlungsblitze am Himmel war die Kollision von Neutronensternen - und diese Theorie wurde bei der Beobachtung des Ereignisses GW170817 erstaunlich bestätigt. Aber wo genau erscheinen Gammastrahlen?

• Auf der Oberfläche von Neutronensternen.
• Aufgrund der Kollision von weggeworfener Materie mit umgebender Materie.
• In den Kernen von Neutronensternen.

Wenn eine der letzten beiden Optionen zutrifft, sollten sich die Gammastrahlen verzögert haben. Fusion, Materialausstoß, Kollision mit umgebender Materie, Emission von energiereicher Materie durch Gammastrahlen - all dies braucht Zeit. Wenn sich die Materie in beträchtlicher Entfernung von einem Neutronenstern befindet, beispielsweise in Zehntausenden oder Hunderttausenden von Kilometern, würde dies die Verzögerung sehr einfach erklären.


Wenn Gammastrahlen nicht auf der Oberfläche, sondern innerhalb der kollidierenden Neutronensterne auftreten, sollte es auch zu einer Verzögerung kommen, da das Licht einige Zeit braucht, um die Dicke des Sterns zu überwinden und an die Oberfläche zu gelangen. Gravitationswellen werden beim Durchgang durch dichte Materie nicht verzögert, und Licht wird verzögert. Dies wäre unserer Beobachtung einer Supernova im Jahr 1987 sehr ähnlich, als Neutrinos (nicht durch den Durchgang durch Materie verzögert) vier Stunden vor dem ersten Lichtsignal eintrafen, da Licht durch eine große Menge an Materie verzögert wurde. Jede dieser Erklärungen kann zu Verzögerungen bei Gammastrahlen führen.


Ein schneller Blitz von Gammastrahlen, dessen Ursache seit langem als Verschmelzung von Neutronensternen angesehen wird. Eine gasreiche Umgebung kann das Eintreffen eines Signals verzögern.

Sofortige Emission, aber verspätete Ankunft: eine weitere Grundoption. Selbst wenn Gammastrahlen von einem Strassstein emittiert werden, müssen sie eine Materie-reiche Umgebung eines Neutronensterns durchlaufen. Und es wird reich an Materie sein, denn aufgrund der sehr hohen Bewegungsgeschwindigkeit von Neutronensternen und der von ihnen emittierten riesigen Magnetfelder wird das Material während seiner Konvergenz und Verschmelzung sicherlich in den Weltraum geworfen. Ihr gemeinsamer Tanz dauert sehr lange, daher sollte sich viel Materie um sie sammeln, durch die Licht gehen muss, bevor es unsere Augen erreicht. Gibt es genug Material, um das Licht 1,7 Sekunden lang zu halten? Es kann so viel sein - und dies ist eine weitere der Hauptoptionen.


Der Pulsar in Segeln ist wie alle Pulsare ein Beispiel für eine Leiche eines Neutronensterns. Sehr oft ist es auf diese Weise von Gas und Materie umgeben, und die Substanz, die die an GW170817 beteiligten Neutronensterne umgibt, kann für die Verzögerung des Lichts verantwortlich sein.

Um die richtige Antwort zu erhalten, müssen die Ereignisvarianten für verschiedene Massenkombinationen untersucht werden: Gesamtmasse bis zu 2,5 Sonnen (wodurch Sie einen stabilen Neutronenstern erhalten); von 2,5 bis 3 Sonnenmassen (wie für den Fall, dass wir gesehen haben - ein Neutronenstern erscheint vorübergehend und verwandelt sich dann in ein Schwarzes Loch); über 3 Sonnenmassen (ein Schwarzes Loch erscheint sofort); sowie Lichtsignale messen. Wir können mehr erfahren, wenn wir den Beginn der Spiralansatzphase im Voraus bestimmen und die Instrumente einige Zeit vor der Fusion auf den gewünschten Punkt lenken. Da LIGO / Virgo und andere Gravitationswellendetektoren verdient und empfindlicher geworden sind, werden diese Aktionen bei uns immer besser ausfallen.


Überreste einer 1987n-Supernova in der großen Magellanschen Wolke bei 165.000 Lichtjahren. Die Tatsache, dass Neutrinos viele Stunden vor dem ersten Lichtsignal eintrafen, sagte mehr über die Zeit aus, die Licht benötigt, um Supernova-Schichten zu durchdringen, als über die Geschwindigkeit eines Neutrinos, das von der Lichtgeschwindigkeit nicht zu unterscheiden ist

Exotische Ideen wie die unterschiedlichen Schwerkraft- und Lichtgeschwindigkeiten sind zur Erklärung dieser Beobachtung völlig unnötig. Die Verzögerung von 1,7 s kann mit verschiedenen Ideen erklärt werden, die nicht von der traditionellen Physik abweichen. Gravitationswellen passieren Materie einfach ohne Widerstand, und Licht interagiert mit ihr als elektromagnetische Welle, was zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen führen kann. Im Vergleich zu Supernovae sind Gammastrahlen, die Neutronensterne erzeugen, winzig. Um diesen Effekt vollständig und genau zu beschreiben, muss man daher gut verstehen, wie diese Katastrophe in sehr kurzen Zeitintervallen abläuft. Renntheoretiker versuchen zu verstehen, was passiert, wir haben bereits die Daten. Und das nächste derartige Ereignis kann alles verändern.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).