Hubble beobachtet superschnellen Materiejet von einer Sternkollision

Astronomen haben mit dem Weltraumteleskop Hubble eine einzigartige Messung vorgenommen, die darauf hindeutet, dass ein Jet, der sich mit mehr als 99,97 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, aus der gewaltigen Kollision zweier Neutronensterne hervorging.

Das explosive Ereignis namens GW170817 wurde im August 2017 beobachtet. Die Explosion setzte das Energieäquivalent einer Supernova-Explosion frei. Es war der erste kombinierte Nachweis von Gravitationswellen und Gammastrahlung von einer Verschmelzung zweier Neutronensterne.

Dies war ein wichtiger Wendepunkt für die laufende Erforschung dieser außergewöhnlichen Kollisionen. Die Nachwirkungen dieser Verschmelzung wurden von 70 Observatorien weltweit und im Weltraum in einem breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums beobachtet; dazu kommen die Gravitationswellenbeobachtungen. Das kündigte einen entscheidenden Durchbruch für das aufstrebende Gebiet der Multi-Messenger-Astrophysik an, wobei mehrere „Botschafter“ wie Licht und Gravitationswellen verwendet werden, um die Entwicklung des Universums im Laufe der Zeit zu untersuchen.

Nur zwei Tage später richteten Wissenschaftler das Hubble-Teleskop auf die Explosion aus. Die Neutronensterne kollabierten zu einem Schwarzen Loch, dessen gewaltige Gravitationskraft begann, Materie anzuziehen. Diese Materie bildete eine schnell rotierende Scheibe, die an ihren Polen Jets erzeugte. Der Jet prallte auf das Material in der expandierenden Hülle aus Explosionsüberresten; dazu gehörte eine Materiestruktur, aus der ein Jet auftauchte.

Obwohl das Ereignis im Jahr 2017 stattfand, dauerte es mehrere Jahre, bis die Wissenschaftler eine Möglichkeit zur Analyse der Daten von Hubble und anderer Teleskope fanden, um dieses komplette Bild zu zeichnen. Die Hubble-Beobachtung wurde mit Beobachtungen mehrerer Radioteleskope der National Science Foundation kombiniert, die für eine Langbasisinterferometrie zusammenarbeiteten. Die Radiodaten wurden 75 und 230 Tage nach der Explosion gesammelt.

„Ich bin erstaunt, dass Hubble uns eine solch präzise Messung liefern konnte, die mit der Präzision von kombinierten Radioteleskopen auf der ganzen Welt mithalten kann“, sagte Kunal P. Mooley vom Caltech in Pasadena (Kalifornien). Mooley ist der Hauptautor einer Studie, die am 13. Oktober 2022 im Journal Nature veröffentlicht wurde.

Die Autoren nutzten neben Hubble- und Radiodaten auch Daten des ESA-Satelliten Gaia, um eine extreme Präzision zu erhalten. „Es dauerte Monate sorgfältiger Datenanalysen, um diese Messung zu machen“, sagte Jay Anderson vom Space Telescope Science Institute in Baltimore (Maryland).

Durch die Kombination der verschiedenen Beobachtungen konnten die Forscher den Explosionsort lokalisieren. Die Hubble-Messung ergab, dass sich der Jet anscheinend mit siebenfacher Lichtgeschwindigkeit bewegte. Die Radiobeobachtungen zeigen, dass sich der Jet später auf scheinbar vierfache Lichtgeschwindigkeit verlangsamt hatte.

In Wirklichkeit kann sich nichts schneller als das Licht bewegen, daher ist diese überlichtschnelle Bewegung eine Täuschung. Weil sich der Jet mit annähernd Lichtgeschwindigkeit der Erde nähert, muss das später emittierte Licht eine kürzere Strecke zurücklegen. Im Grunde jagt der Jet sein eigenes Licht. Tatsächlich ist mehr Zeit seit der Emission des Lichts von dem Jet vergangen, als der Beobachter meint. Das führt zu einer Überschätzung der Geschwindigkeit des Objekts – in diesem Fall scheint sie die Lichtgeschwindigkeit zu übertreffen.

„Unser Ergebnis spricht dafür, dass sich der Jet mit mindestens 99,97 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegte, als er abgestoßen wurde“, sagte Wenbin Lu von der University of California in Berkeley.

Die Hubble-Messungen stärken in Kombination mit den 2018 bekanntgegebenen Radiobeobachtungen den lange vermuteten Zusammenhang zwischen der Verschmelzung von Neutronensternen und kurzlebigen Gammablitzen. Diese Verbindung erfordert die Entstehung eines schnellen Jets, der jetzt in GW170817 gemessen wurde.

Diese Arbeit ebnet den Weg zu präziseren Untersuchungen von Neutronenstern-Verschmelzungen, die von den Gravitationswellenobservatorien LIGO, Virgo und KAGRA registriert wurden. Mit einer ausreichend großen Stichprobe in den kommenden Jahren könnten die Beobachtungen von relativistischen Jets eine weitere Möglichkeit darstellen, um die Expansionsrate des Universums zu messen, die mit der sogenannten Hubble-Konstante zusammenhängt.

Momentan gibt es eine Diskrepanz zwischen den Werten der Hubble-Konstante, wie sie für das junge [ferne] und das nahe Universum geschätzt werden – eines der größten Rätsel in der heutigen Astrophysik. Die abweichenden Werte basieren auf extrem präzisen Messungen von Typ-Ia-Supernovae durch Hubble und andere Observatorien, sowie auf Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mit dem ESA-Satelliten Planck. Mehr Beobachtungen von relativistischen Jets könnten Informationen für Astronomen ergänzen, die das Rätsel zu lösen versuchen.

Das Weltraumteleskop Hubble ist ein Projekt internationaler Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) betreibt das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore (Maryland) führt die wissenschaftlichen Operationen Hubbles durch. Das STScI wird von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C. für die NASA geleitet.

Quelle

(THK)