Astronomie

Wie groß wäre die Supernova, wenn ein Neutronenstern mit einem anderen Neutronenstern kollidiert?

Wie groß wäre die Supernova, wenn ein Neutronenstern mit einem anderen Neutronenstern kollidiert?


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Wenn zwei umlaufende Neutronensterne kollidieren würden, wie groß wäre dann die Supernova-Explosion?

Würde ein neues Schwarzes Loch oder ein neuer Supernova-Überrest entstehen?


Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, wird die resultierende Supernova als "Kilonova" bezeichnet und produziert viel mehr Energie als eine normale Supernova. Außerdem werden schwerere Elemente gebildet, wie Gold, Platin usw. Andere Auswirkungen dieser Kollision sind ein Gammastrahlenausbruch und/oder Gravitationswellen. Das nach dem Ereignis gebildete Objekt kann entweder ein schwerer Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch sein (wenn die Masse der Verschmelzung die maximale Masse eines Neutronensterns überschreitet, etwa 3 Sonnenmassen).

Bis jetzt haben wir keine mit bloßem Auge sichtbare Verschmelzung von Neutronensternen entdeckt; fast alle von ihnen traten in verschiedenen Galaxien auf, Milliarden Lichtjahre entfernt. Ich hoffe das hilft.


Größte jemals gesehene Supernova könnte die Physik der Sterne neu schreiben

Eine riesige Supernova, die vom Gaia-Satelliten entdeckt wurde, ist möglicherweise die massereichste, die je von Astronomen gesehen wurde. Diese gewaltige Eruption, eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt, könnte das, was wir über den Tod der größten Sterne im Universum wissen, neu schreiben.

Der Stern mit dem Namen SN2016iet brach aus, bevor sich Pflanzen- oder Tierleben an Land entwickelt hatten, zu einer Zeit, als jeder Kontinent noch zu einem riesigen Superkontinent, Rodinia, zusammengedrängt war. Das Licht des Ereignisses, das mit fast 300.000 Kilometern pro Sekunde (mehr als 186.000 Meilen pro Sekunde) auf die Erde zuraste, wurde erstmals am 14. November 2016 von der Raumsonde Gaia gesehen.

Nach dreijähriger Studie haben Forscher nun festgestellt, dass diese Explosion die massivste Supernova war, die jemals aufgezeichnet wurde. Dieses Ausmaß dieser Supernova könnte Physiker dazu zwingen, die physikalischen Gesetze, die diese Eruptionen regeln, neu zu schreiben.

„Als wir zum ersten Mal realisierten, wie völlig ungewöhnlich SN2016iet ist, war meine Reaktion ‚Whoa – ist etwas mit unseren Daten schrecklich schief gelaufen?‘ Nach einer Weile stellten wir fest, dass SN2016iet ein unglaubliches Mysterium ist, das sich in einer zuvor nicht katalogisierten Galaxie eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt befindet “, sagt Sebastian Gomez, Doktorand an der Harvard University.

Dieses Mitglied eines Doppelsternsystems, das 54.000 Lichtjahre vom Zentrum seiner Galaxie, in der es entstanden ist, umkreist, enthielt einst mehr als das 200-fache der Masse unserer eigenen Sonne.

Für Millionen von Jahren vor seiner Explosion hat der Stern einen Großteil seiner Masse verloren, einschließlich 35 Sonnenmassen an Material, die nur in seinen letzten 10 Jahren verloren gegangen sind. Zum Zeitpunkt der Supernova besaß der sterbende Stern noch 55- bis 120-mal so viel Masse wie die Sonne. Dadurch entsteht eine Mammutexplosion, die größte, die jemals von Astronomen aufgezeichnet wurde.

Als die Stoßwelle der Titanenexplosion die zuvor vom Stern abgeworfene Materialhülle erreichte, führte der Aufprall zu einer zweiten Stoßwelle, die durch das System raste.

Lebe groß, stirb jung

Die natürliche Lebensdauer eines Sterns wird allein durch seine Masse bestimmt, wobei die massereichsten Sterne die kürzeste Lebensdauer haben. Der Riesenstern, der SN2016iet bildete, existierte nur wenige Millionen Jahre vor seinem großartigen Untergang. Im Gegensatz dazu entstand die Sonne vor etwa 4,5 Milliarden Jahren und wird ungefähr genauso lange leuchten, bevor ihr Wasserstoff als Treibstoff ausgeht.

Der Stern, der die Supernova SN2016iet bildete, war ein Schurkenstern – weit entfernt von seiner Heimat-Zwerggalaxie. Als SN2016iet das Ende seiner Lebensdauer erreichte, verlor der supermassive Stern im Laufe von wenigen Millionen Jahren etwa 85 Prozent seiner Masse an den Weltraum. Dieser Prozess bildete einen „Kokon“ aus Gas um den Stern. Als der Stern explodierte, erreichte die starke Explosion des Ereignisses das umhüllende Gas und bildete eine zweite Stoßwelle.

Teleskope des Fred Lawrence Whipple Observatoriums in Amado, Arizona, und der Magellan Telescopes in Chile, wurden beauftragt, diese sehr ungewöhnliche Supernova zu untersuchen, die von GAIA gemeldet wurde. Alles an dieser Sterneruption sah bizarr aus.

„Alles an dieser Supernova sieht anders aus – ihre Helligkeitsänderung mit der Zeit, ihr Spektrum, die Galaxie, in der sie sich befindet, und sogar wo sie sich innerhalb ihrer Galaxie befindet. Wir sehen manchmal Supernovae, die in einer Hinsicht ungewöhnlich sind, aber ansonsten normal sind. Diese ist in jeder Hinsicht einzigartig“, Edo Berger, Professor für Astronomie an der Harvard University und Co-Autor einer Studie zu der Entdeckung, die in Das Astrophysikalische Journal, Zustände.

Astronomen, die die Eruption untersuchten, stellten über einen langen Zeitraum große Energiemengen fest, die bei dem Ereignis freigesetzt wurden. Eine ungewöhnliche chemische Zusammensetzung und die Tatsache, dass die Explosion in einer metallarmen Umgebung stattfand, trugen alle zur ungewöhnlichen Natur dieser Supernova bei. Astronomen erkannten bald, dass dies eine Art Supernova war, die vor Jahrzehnten erstmals postuliert, aber noch nie zuvor gesehen wurde.

Diese Explosion war die erste jemals aufgezeichnete Paar-Instabilitäts-Supernova. Diese seit langem theoretisierten Ereignisse treten auf, wenn Elektron und Positronen (Elektronen der Antimaterie) vorübergehend den Innendruck verringern, was zu unkontrollierten Kernreaktionen im Kern führt. Die resultierende Explosion löscht den Stern vollständig aus und hinterlässt nichts. Wenn Supernovae dieses Typs explodieren, bleibt normalerweise ein ultradichter Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch zurück. Es wird angenommen, dass Explosionen dieser Art nur in extrem massereichen Sternen auftreten, die in metallarmen Galaxien leben, wie den frühesten Sternenfamilien.

Alles begann mit einem Urknall – BANG!

Als sich Sterne einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall zum ersten Mal bildeten, waren die meisten massereiche Objekte, die in kleinen Protogalaxien existierten. Mit einem Durchmesser von nur 30 bis 100 Lichtjahren hätten diese Prototypgalaxien eine riesige Anzahl massereicher Sterne beherbergt, die dazu verdammt waren, ihr kurzes Leben in gigantischen Supernova-Explosionen wie SN2016iet zu beenden.

Als das Universum zum ersten Mal so weit abgekühlt war, dass Materie existieren konnte, bestand fast alles Material, das sich bildete, aus Wasserstoff und Helium (und einer Spur von Lithium). Jedes Element, das schwerer als dieses war, entstand in Fusionsreaktionen von Sternen, und alles, was schwerer als Eisen war, stammte von Supernova-Eruptionen. Diese Elemente wurden durch gigantische Explosionen von Supernovae in den Weltraum verbreitet.

Alles Leben auf der Erde hängt von sechs Elementen ab – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Ohne die von Sternen produzierten Elemente würde Leben (wahrscheinlich) nicht existieren. Wir sind wirklich aus Sternen gemacht.

„Der Stickstoff in unserer DNA, das Kalzium in unseren Zähnen, das Eisen in unserem Blut, der Kohlenstoff in unseren Apfelkuchen wurden im Inneren kollabierender Sterne hergestellt. Wir sind aus Sternen gemacht.“
― Carl Sagan, Kosmos

Daten dieser massiven Supernova könnten Astronomen helfen, den Tod massereicher Sterne im alten Universum zu verstehen.

Die meisten Supernovae verblassen nach ein paar Monaten, aber die Forscher glauben, dass die Energie dieses Ereignisses jahrelang sichtbar sein wird, was Astronomen eine Fülle von Informationen über diese herrliche, selten gesehene Klasse von Supernovae liefert.

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Wissenschaftler beobachten, wie ein Schwarzes Loch mit einem Neutronenstern kollidiert

Wenn ein Schwarzes Loch und ein Neutronenstern kollidieren, könnte es den Weltraum mit Edelmetallen wie Gold und Platin überschütten und dabei radioaktive Elemente ausspucken.

Wissenschaftler sahen dies in Computersimulationen, als sie versuchten herauszufinden, was passiert, wenn diese beiden dichten Objekte verschmelzen. Sie hoffen, dass die Vorhersage des Ergebnisses dieser Kollisionen ihnen helfen wird, das wahre Ding zu finden, während sie mit ihren Instrumenten den Himmel abtasten, und die Rolle von Neutronensternen im Universum besser verstehen.

Damit es zu einer Kollision zwischen einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern kommt, muss es zuerst einen Urknall geben – ein Neutronenstern ist das, was übrig bleibt, nachdem ein massiver, alter Stern in einer Supernova explodiert ist, die größte Explosionsart, die es in äußeren Platz. Der kollabierte Sternkern, der zurückbleibt, ist der Neutronenstern.

Es ist auch möglich, dass Neutronensterne selbst weiter kollabieren, um Schwarze Löcher zu erzeugen. In jedem Fall sind sowohl Neutronensterne als auch Schwarze Löcher unglaublich dicht, mit enormen Massen auf relativ kleinem Raum. Wenn sie zusammenkommen, ist das Ergebnis kraftvoll.

Das internationale Wissenschaftlerteam hat seine Ergebnisse in zwei Studien in der Zeitschrift Classical and Quantum Gravity detailliert beschrieben. Eine Arbeit konzentriert sich auf das, was während der ersten Millisekunden der Kollision passiert, und die andere auf das, was folgt, wenn Material ausgestoßen wird und sofort eine Scheibe bildet die Absturzstelle.

Die Ergebnisse der Simulationen variierten, wobei einige Durchläufe der Kollisionen zeigten, dass die Schwarzen Löcher die Neutronensterne vollständig verbrauchen und andere, dass sie nach ihrer Mahlzeit unterschiedliche Mengen an Material ausstoßen, berichtete das Lawrence Berkeley National Laboratory des Department of Energy. Wenn die beiden Objekte ihre Kräfte bündeln, verwandeln sie sich in ein größeres Schwarzes Loch, und dieses Monster könnte einen Teil des ausgespuckten Materials auffressen oder einen Teil der radioaktiven Materie dort in „einem extrem dichten, dünnen, donutförmigen Halo“ hängen lassen der Materie“, die sich schnell ausbreitet.

Schwere Elemente sind in dieser ausgestoßenen Materie wahrscheinlich, darunter Gold, Platin und radioaktive Elemente.

Nach Angaben des Labors geht es bei den Simulationen um mehr, als nur ein grausiges Bild eines gewaltigen Absturzes zu erstellen. Sie sollen auch helfen, Gravitationswellen zu erkennen – Störungen in der Raumzeit, die auf gewaltsame Ereignisse zurückzuführen sind –, die aus diesen Kollisionen resultieren, damit Wissenschaftler eines Tages die Realität beobachten und mehr über unser Universum erfahren können. Kürzlich wurde entdeckt, dass Gravitationswellen mit zwei zusammenstoßenden Schwarzen Löchern in Verbindung stehen, obwohl eine Kollision zwischen einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern keine so starken Gravitationswellen erzeugen würde.

„Wir versuchen, uns mehr in Richtung tatsächlicher Modelle der Gravitationswellensignale zu bewegen, die durch diese Verschmelzungen erzeugt werden“, sagte der Forscher Francois Foucart in der Laborerklärung.

Die Ergebnisse könnten auch Aufschluss über resultierende Gammastrahlenausbrüche und radioaktives Material geben, das Teleskope beim Scannen des Himmels aufnehmen könnten.

Das Labor sagt, dass die Untersuchung von Materie, die beim Zusammenprall dieser simulierten Objekte ausgestoßen wird, einschließlich ihrer Geschwindigkeit, Größe und Zusammensetzung, Astronomen helfen wird, die das Universum nach echten Kollisionen absuchen, um sie zu beobachten.

Neutronensterne sind auch ziemlich mysteriös, und ein besseres Verständnis dafür, wie sie bei einer Kollision mit einem Schwarzen Loch auseinanderbrechen, könnte Wissenschaftlern einen Einblick in ihre Struktur geben.

„Mit verbesserten Modellen“, so der Wissenschaftler Daniel Kasen, „können wir den Beobachtern besser sagen, nach welchen Lichtblitzen sie suchen.“


Was passiert, wenn Neutronensterne kollidieren?

Eine wunderschön elegante Visualisierung von vielleicht einem der grausamsten Ereignisse, die im Universum auftreten können, wurde von der NASA veröffentlicht. Diese Supercomputer-Simulation des Albert-Einstein-Instituts zeigt, was passiert, wenn zwei Neutronensterne kollidieren und ein Schwarzes Loch bilden.

Neutronensterne sind eine von mehreren möglichen Enden für einen Stern. Sie entstehen, wenn ein riesiger Stern mit der 8- bis 30-fachen Masse unserer Sonne in einer Supernova explodiert. Sie haben nur die Größe einer Stadt mit einem Durchmesser von etwa 20 Kilometern, aber Größe ist nicht alles und sie haben sicherlich eine Wucht mit einer Masse, die etwa 1,4-mal so groß ist wie die unserer Sonne. Zum Vergleich: Ein Kubikzentimeter Neutronenstern-Materie würde mehr wiegen als der Mount Everest.

Wenn Neutronensterne kollidieren, kommt es zu einem spektakulären Ereignis. In dieser Simulation platzierten Wissenschaftler ein nicht übereinstimmendes Paar von Neutronensternen mit einem Gewicht von 1,4 und 1,7 Sonnenmassen in einem Abstand von 18 Kilometern und beobachteten, wie sich das schicksalhafte Ereignis abspielte. Wenn die Sterne aufeinander zuzuwirbeln beginnen, verformen immense Gezeitenkräfte die Krusten der Sterne und der kleinere Stern explodiert und spuckt seinen heißen und dichten Inhalt aus, der sich dann spiralförmig um das System dreht. Wenn die Sterne verschmelzen, lässt die überwältigende Masse des größeren Sterns ihn kollabieren und ein Schwarzes Loch wird geboren.

Sehen Sie sich unten an, wie sich die faszinierende Simulation vollständig entfaltet:

Diese Ereignisse sind besonders interessant, weil Wissenschaftler glauben, dass sie zu kurzen Gammastrahlenausbrüchen (GRBs) führen können. Diese kurzen GRBs sind immense Ausbrüche, die in nur etwa 2 Sekunden die gleiche Energiemenge emittieren, die alle Sterne in unserer gesamten Galaxie zusammen in einem Jahr produzieren. Da diese Ereignisse im Handumdrehen vorbei sind, hat sich ihre Beobachtung im Weltraum als eine ziemliche Herausforderung erwiesen, aber die Swift-Mission der NASA hat GRB-Nachleuchten eingefangen, was zu einem erheblichen Verständnis dieser Ereignisse geführt hat. 


Kollisionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen könnten endlich die unterschiedlichen Messungen über die Expansionsrate des Universums klären

Wenn Sie die Entwicklungen in der Astronomie in den letzten Jahren verfolgt haben, haben Sie vielleicht von der sogenannten „Krise in der Kosmologie“ gehört, bei der sich Astronomen fragen, ob mit unserem derzeitigen Verständnis des Universums etwas nicht stimmt . Diese Krise dreht sich um die Expansionsrate des Universums: Messungen der Expansionsrate im gegenwärtigen Universum stimmen nicht mit Messungen der Expansionsrate während des frühen Universums überein. Da es keinen Hinweis darauf gibt, warum diese Messungen nicht übereinstimmen könnten, können Astronomen die Ungleichheit nicht erklären.

Der erste Schritt zur Lösung dieses Rätsels besteht darin, neue Methoden zur Messung der Expansionsrate auszuprobieren. In einem letzte Woche veröffentlichten Artikel schlugen Forscher des University College London (UCL) vor, dass wir durch die Beobachtung von Kollisionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen möglicherweise ein neues, unabhängiges Maß für die Expansionsrate des Universums erstellen können.

Lassen Sie uns für eine Minute zurücktreten und besprechen, wo die Dinge gerade stehen. Wenn wir ins Universum blicken, scheinen sich weiter entfernte Galaxien schneller von uns zu entfernen als nähere, da sich der Weltraum selbst ausdehnt. Dies wird durch eine als Hubble-Konstante bekannte Zahl ausgedrückt, die normalerweise als Geschwindigkeit (in Kilometern pro Sekunde) einer Galaxie in einem Megaparsec (Mpc) Entfernung geschrieben wird.

Eine der besten Möglichkeiten, die Hubble-Konstante zu messen, besteht darin, Objekte zu beobachten, die als Cepheiden-Variablen bekannt sind. Cepheiden sind Sterne, die regelmäßig aufhellen und verdunkeln, und ihre Helligkeit passt sich einfach ihrer Periode an (der Zeit, die es braucht, um zu verdunkeln und wieder aufzuhellen). Die Regelmäßigkeit dieser Objekte ermöglicht es, ihre Entfernung abzuschätzen, und eine Vermessung vieler Cepheiden ergibt eine Hubble-Konstante von etwa 73 km/s/Mpc. Supernovae vom Typ 1A sind ein weiteres häufiges Objekt mit bekannter Helligkeit, und sie geben auch eine Hubble-Konstante, die um 73 km / s / Mpc schwebt.

Andererseits können Sie die Expansion des Universums in seiner frühesten Phase messen, indem Sie das Nachleuchten des Urknalls, die sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), beobachten. Unsere beste Messung des CMB wurde von der Raumsonde Planck der Europäischen Weltraumorganisation ESA durchgeführt, die 2018 ihre endgültigen Daten veröffentlichte. Planck beobachtete eine Hubble-Konstante von 67,66 km/s/Mpc.

Geschätzte Werte der Hubble-Konstante. Schwarz repräsentiert Messungen von Cepheiden/Typ 1A Supernovae (73 km/s/Mpc). Rot steht für CMB-Messungen des frühen Universums (67 km/s/Mpc). Blau zeigt andere Techniken, deren Unsicherheiten noch nicht klein genug sind, um sich zwischen den beiden zu entscheiden. Bildnachweis: Renerpho (Wikimedia Commons).

Der Unterschied zwischen 67 und 73 ist nicht enorm, und zunächst schien die wahrscheinlichste Erklärung für den Unterschied ein Instrumentenfehler zu sein. Durch nachfolgende Beobachtungen wurden die Fehlerbalken dieser Messungen jedoch so weit eingeengt, dass der Unterschied statistisch signifikant ist. Tatsächlich eine Krise!

Hier hoffen die UCL-Forscher einzuspringen. Sie schlagen eine neue Methode zur Messung der Hubble-Konstante vor, die sich in keiner Weise auf die beiden anderen Methoden verlässt. Es beginnt mit einer Messung von Gravitationswellen: den Wellen in der Raumzeit, die durch die Kollision massereicher Objekte wie Schwarzer Löcher entstehen. Die ersten Gravitationswellen wurden erst kürzlich, im Jahr 2015, entdeckt, und sie wurden noch nicht mit sichtbaren Kollisionen in Verbindung gebracht.

Der leitende Forscher Stephen Feeney erklärt: „Wir haben bei diesen Kollisionen noch kein Licht entdeckt. Aber Fortschritte bei der Empfindlichkeit von Geräten zur Erkennung von Gravitationswellen werden zusammen mit neuen Detektoren in Indien und Japan zu einem großen Sprung nach vorne in Bezug auf die Anzahl dieser Arten von Ereignissen führen, die wir erkennen können.“

Gravitationswellen ermöglichen es uns, den Ort dieser Kollisionen zu lokalisieren, aber wir müssen auch das Licht der Kollisionen messen, wenn wir ihre Geschwindigkeit messen wollen. Eine Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern könnte genau die Art von Ereignis sein, die beides hervorbringen würde.

Wenn wir genug von diesen Kollisionen sehen, könnten wir sie verwenden, um eine neue Messung für die Hubble-Konstante zu erstellen.

Der LIGO Gravitationswellendetektor in Louisiana. Bildquelle: Caltech/MIT/LIGO-Labor.

Das UCL-Team nutzte Simulationen, um abzuschätzen, wie viele Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen in den nächsten zehn Jahren auftreten könnten. Sie fanden heraus, dass die Gravitationswellendetektoren der Erde vor 2030 3000 von ihnen aufnehmen könnten, und von diesen werden etwa 100 wahrscheinlich auch sichtbares Licht erzeugen.

Das würde reichen. Als solches könnten wir bis 2030 eine brandneue Messung der Hubble-Konstanten haben. Wir wissen noch nicht, ob die neue Messung mit der CMB-Messung oder der Cepheid/Typ 1A-Messung übereinstimmt oder beiden nicht zustimmt. Aber das Ergebnis, wie auch immer es ausfällt, wird ein wichtiger Schritt sein, um das Rätsel zu lösen. Es könnte entweder die Krise in der Kosmologie beilegen oder sie verschlimmern und uns zwingen, unser Modell des Universums genauer zu betrachten und zuzugeben, dass wir mehr über das Universum nicht wissen, als wir dachten.

Stephen M. Feeney, Hiranya V. Peiris, Samaya M. Nissanke und Daniel J. Mortlock, “Prospects for Measuring the Hubble Constant with Neutron-Star-Black-Hole Mergers.” Physische Überprüfungsbriefe.

Vorgestelltes Bild: Ein Schwarzes Loch, das einen Neutronenstern verschlingt. Bildnachweis: Dana Berry/NASA.


Unwahrscheinlichkeiten

Lass dich von all dem nachts wach halten. Kilonovae sind relativ seltene kosmische Phänomene, die schätzungsweise nur alle 10.000 Jahre in einer Galaxie wie der Milchstraße auftreten. Das liegt daran, dass Neutronensterne, die von Supernovae erzeugt werden, kaum Paare bilden. Normalerweise erhält ein Neutronenstern einen kräftigen „Kick&rdquo von seiner prägenden Supernova. Manchmal sind diese Stöße stark genug, um einen Neutronenstern vollständig aus seiner Galaxie zu werfen und mit hoher Geschwindigkeit unbegrenzt durch den Kosmos zu rasen. &bdquoWenn Neutronensterne geboren werden, haben sie oft eine hohe Geschwindigkeit. Für sie ist es nicht trivial, in einer Binärdatei zu überleben“, sagt Fruchter. Und die Chancen, dass sich zwei finden und nach unabhängiger Bildung verschmelzen, sind mangels eines besseren Begriffs astronomisch gering.

Die binären Neutronensterne, die wir in unserer Galaxie kennen, sind Millionen oder Milliarden von Jahren von der Verschmelzung entfernt. Jede lokale Verschmelzung von Neutronensternen würde LIGO überraschen, da die Ereignisse so selten sind und Astronomen die resultierende Kilonova möglicherweise überhaupt nicht sehen. Aber wenn einer vorkommt&mdashsay, in einer der Satellitengalaxien der Milchstraße– wäre das ein guter Grund, zu einem Teleskop zu laufen, um das Aufblitzen und Verblassen eines kurzen, brillanten neuen &ldquostars zu beobachten.&rdquo Die Gefahren wären so gut wie nicht existent, aber nicht der Lohn? : Unsere Generation von Astronomen hätte ihre eigene Supernova 1987A zu sezieren. &bdquoDies ist eine einmalige Art von Veranstaltung&rdquo, sagt Frank. Also, sagt sie, müssten wir so etwas mit allen astronomischen Ressourcen der Welt verfolgen. &bdquoWir müssen daran denken, über die anfängliche Explosion hinauszudenken&ldquo fügt sie hinzu. &ldquoEs kann immer noch etwas passieren und wir müssen darauf achten.&rdquo

Im Moment ist die Aufmerksamkeit der Astronomen immer noch auf die Kilonova in NGC 4993 fixiert. Die Bahnbewegung der Erde hat die Sonne zwischen uns und die ferne Galaxie platziert, jedoch das verschwindende Nachleuchten der Kilonova versteckt. Wenn sich unsere Sicht im Dezember klart, werden sich viele der Teleskopaugen der Welt wieder dem kleinen Himmelsfleck zuwenden, der die Verschmelzung enthält. In der Zwischenzeit werden Papiere verfasst und veröffentlicht, Karrieren geprägt, Reputation gesichert. Die Wissenschaft wird weitermarschieren und auf den nächsten möglichen Blick auf eine Kilonova warten, auf das Flüstern einer Neutronenstern-Verschmelzung oder, wenn wir Glück haben, auf etwas ganz Neues.


Ein normaler Stern ist ein großer Gasball, dessen Schwerkraft ihn zusammenzieht und versucht, ihn zum Kollaps zu bringen. Es wird tatsächlich gehalten, weil es wirklich, sehr heiß ist. Auf die gleiche Weise, wie sich ein heißes Gas ausdehnt, ermöglicht die Temperatur des Sterns, dass es sich ausdehnt und ziemlich groß bleibt.

Aber wenn der Stern wirklich alt wird, kann er explodieren: Was dazu führt, ist, dass er irgendwann den größten Teil seines Brennstoffs verbrannt hat und etwas abkühlt. Es beginnt unter seiner eigenen Schwerkraft zu kollabieren. Sterne, die massiv genug sind, beginnen dann, die Protonen und Elektronen zu zerkleinern, um Neutronen zu bilden. Diese bilden einen riesigen sterngroßen Atomkern, im Grunde nur Neutronen, bekannt als Neutronenstern.

Ein normaler Stern kann zu einem Neutronenstern kollabieren. Wenn ein Neutronenstern langsam immer mehr Masse anhäufte, könnte er wieder kollabieren, wobei sich die Neutronen nicht mehr selbst tragen könnten. Es würde beginnen, zusammengedrückt zu werden, und es würde so schwer und dicht werden, dass es sich in ein schwarzes Loch verwandeln würde.

Ein Schwarzes Loch ist der Ort, an dem Sie so viel Masse an einem Ort haben, dass er den Raum so stark verzerrt, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Dies geschieht unabhängig von der inneren Struktur des Schwarzen Lochs.

Wir wissen nichts über das Innere von Schwarzen Löchern, und tatsächlich werden sie niemanden außerhalb des Schwarzen Lochs beeinflussen. Soweit wir das beurteilen können, ist ein Schwarzes Loch so weit, wie alles kollabieren kann.


Wie kollidierende Neutronensterne Licht in universelle Mysterien bringen könnten

Ein internationales Team unter der Leitung der University of East Anglia hat einen wichtigen Durchbruch beim Verständnis von Kollisionen toter Sterne und der Expansion des Universums erzielt.

Sie haben einen ungewöhnlichen Pulsar entdeckt – einen der magnetisierten, sich drehenden Neutronenstern-„Leuchttürme“ des Weltraums, der hochfokussierte Radiowellen von seinen magnetischen Polen aussendet.

Der neu entdeckte Pulsar (bekannt als PSR J1913+1102) ist Teil eines Doppelsternsystems – was bedeutet, dass er mit einem anderen Neutronenstern in einer sehr engen Umlaufbahn eingeschlossen ist.

Neutronensterne sind die toten stellaren Überreste einer Supernova. Sie bestehen aus der dichtesten bekannten Materie – sie packen das Hunderttausendfache der Erdmasse in eine Kugel von der Größe einer Stadt.

In etwa einer halben Milliarde Jahren werden die beiden Neutronensterne kollidieren und dabei erstaunliche Energiemengen in Form von Gravitationswellen und Licht freisetzen.

Aber der neu entdeckte Pulsar ist ungewöhnlich, weil die Massen seiner beiden Neutronensterne sehr unterschiedlich sind – wobei einer viel größer ist als der andere.

Dieses asymmetrische System gibt Wissenschaftlern die Gewissheit, dass die Verschmelzung von Doppelneutronensternen wichtige Hinweise auf ungelöste Rätsel in der Astrophysik liefern wird – einschließlich einer genaueren Bestimmung der Expansionsrate des Universums, die als Hubble-Konstante bekannt ist.

Die Entdeckung, heute in der Zeitschrift veröffentlicht Natur, wurde mit dem Arecibo-Radioteleskop in Puerto Rico hergestellt.

Der leitende Forscher Dr. Robert Ferdman von der School of Physics der UEA sagte: „Im Jahr 2017 entdeckten Wissenschaftler des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) erstmals die Verschmelzung zweier Neutronensterne.

"Das Ereignis verursachte Gravitationswellenwellen durch das Gefüge der Raumzeit, wie von Albert Einstein vor über einem Jahrhundert vorhergesagt."

Dieses spektakuläre Ereignis, bekannt als GW170817, wurde auch mit traditionellen Teleskopen an Observatorien auf der ganzen Welt beobachtet, die seinen Standort in einer fernen Galaxie identifizierten, 130 Millionen Lichtjahre von unserer eigenen Milchstraße entfernt.

Dr. Ferdman sagte: „Es bestätigte, dass das Phänomen der kurzen Gammastrahlenausbrüche auf die Verschmelzung zweier Neutronensterne zurückzuführen ist. Und diese werden heute als die Fabriken angesehen, die die meisten der schwersten Elemente im Universum wie Gold produzieren. "

Die Energie, die im Bruchteil einer Sekunde freigesetzt wird, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen, ist enorm – schätzungsweise zehnmal größer als alle Sterne im Universum zusammen.

Das GW170817-Ereignis war also nicht überraschend. Aber die enorme Menge an Materie, die bei der Verschmelzung ausgestoßen wurde, und ihre Helligkeit waren ein unerwartetes Rätsel.

Dr. Ferdman sagte: „Die meisten Theorien über dieses Ereignis gingen davon aus, dass Neutronensterne, die in Doppelsternsystemen eingeschlossen sind, eine sehr ähnliche Masse haben.

„Unsere Neuentdeckung ändert diese Annahmen. Wir haben ein Doppelsternsystem entdeckt, das zwei Neutronensterne mit sehr unterschiedlichen Massen enthält.

„Diese Sterne werden in etwa 470 Millionen Jahren kollidieren und verschmelzen, was eine lange Zeit zu sein scheint, aber nur ein kleiner Bruchteil des Alters des Universums ist.

„Da ein Neutronenstern deutlich größer ist, wird sein Gravitationseinfluss die Form seines Begleitsterns verzerren – große Mengen an Materie entfernen, kurz bevor sie tatsächlich verschmelzen, und sie möglicherweise vollständig zerstören.

"Diese 'Gezeitenstörung' schleudert eine größere Menge an heißem Material aus als für massegleiche Doppelsysteme erwartet, was zu einer stärkeren Emission führt.

„Obwohl GW170817 durch andere Theorien erklärt werden kann, können wir bestätigen, dass ein Elternsystem von Neutronensternen mit deutlich unterschiedlichen Massen, ähnlich dem PSR-System J1913+1102, eine sehr plausible Erklärung ist.

„Vielleicht noch wichtiger ist, dass die Entdeckung unterstreicht, dass es noch viel mehr dieser Systeme gibt – die mehr als eine von zehn verschmelzenden Doppelneutronenstern-Doppelsternen ausmachen.“

Co-Autor Dr. Paulo Freire vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn sagte: „Eine solche Störung würde es Astrophysikern ermöglichen, wichtige neue Hinweise auf die exotische Materie zu gewinnen, die das Innere dieser extremen, dichten Objekte ausmacht.

„Diese Materie ist immer noch ein großes Rätsel – sie ist so dicht, dass Wissenschaftler immer noch nicht wissen, woraus sie tatsächlich besteht. Diese Dichten gehen weit über das hinaus, was wir in erdbasierten Labors reproduzieren können.“

Die Zerstörung des leichteren Neutronensterns würde auch die Helligkeit des durch die Verschmelzung ausgestoßenen Materials erhöhen. Das bedeutet, dass Wissenschaftler sie neben Gravitationswellendetektoren wie dem US-amerikanischen LIGO und dem europäischen Virgo-Detektor auch mit herkömmlichen Teleskopen beobachten können.

Dr. Ferdman sagte: „Aufregenderweise kann dies auch eine völlig unabhängige Messung der Hubble-Konstante ermöglichen – der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt. Die beiden Hauptmethoden dafür stehen derzeit im Widerspruch zueinander, also ist dies a entscheidender Weg, um die Sackgasse zu durchbrechen und die Entwicklung des Universums genauer zu verstehen."


Wie zerstört eine Supernova einen Stern vollständig?

Eine Supernova zerstört einen Stern nicht vollständig. Supernovae sind die heftigsten Explosionen im Universum. Aber sie explodieren nicht wie eine Bombe explodiert und bläst jedes Stück der ursprünglichen Bombe weg. Wenn ein Stern zu einer Supernova explodiert, überlebt sein Kern. Der Grund dafür ist, dass die Explosion durch einen gravitativen Rebound-Effekt und nicht durch eine chemische Reaktion verursacht wird, wie von der NASA erklärt. Es ist wahr, dass in den meisten Sternen heftige Wasserstofffusionsreaktionen ablaufen, aber diese verursachen keine Supernova. Sterne sind so groß, dass die Gravitationskräfte, die sie zusammenhalten, stark genug sind, um die Kernreaktionen davon abzuhalten, sie auseinander zu sprengen. Es ist der gravitative Rückprall, der einen Stern in einer Supernova auseinander bläst.

Betrachten Sie die typische Momentum-Transfer-Ausstellung, die in vielen Wissenschaftsmuseen zu finden ist, wie in der Animation rechts dargestellt. Gummibälle unterschiedlicher Größe werden in unterschiedlichen Höhen gehalten. Die Kugeln werden dann gleichzeitig losgelassen. Die Schwerkraft zieht sie alle nach unten und sie alle fallen zu Boden. In den nächsten Momenten trifft der unterste Ball auf den Boden und prallt zurück, und dann beginnen die Bälle zu kollidieren. Impuls ist gleich Masse mal Geschwindigkeit. Dies bedeutet, dass ein schweres Objekt, das sich langsam bewegt, genauso viel Impuls hat wie ein leichtes Objekt, das sich schnell bewegt. Wenn zwei Objekte kollidieren, übertragen sie einen gewissen Impuls. Wenn ein schweres langsames Objekt mit einem leichten Objekt kollidiert, kann es ihm aufgrund der Impulserhaltung eine sehr hohe Geschwindigkeit verleihen. Wie diese Animation zeigt, wird durch die Anordnung der Gummibälle vom schwersten unten bis zum leichtesten oben der Impuls auf immer leichtere Objekte übertragen, was zu immer höheren Geschwindigkeiten führt. Obwohl die Schwerkraft alle Bälle nach unten zieht, prallen die oberen Bälle mit unglaublicher Geschwindigkeit zurück. Dies alles steht im Einklang mit dem Impulserhaltungssatz. Die unteren Kugeln sind zu schwer und zu langsam, um abzufliegen. Sie bleiben als überlebender Kern des ursprünglichen Systems zurück. Andererseits werden die oberen Kugeln weggeblasen (in einer Ausstellung im Wissenschaftsmuseum werden sie oben am Apparat gefangen, damit die Demonstration wiederholt werden kann). Diese Explosion von Gummibällen findet statt, ohne dass nennenswerte chemische oder nukleare Reaktionen stattfinden. Diese Explosion ist einfach auf Schwerkraft und Impulsübertragung zurückzuführen, d. h. auf einen Rückprall der Schwerkraft. Wenn Sie sich die Animation genau ansehen, sehen Sie, dass der Rückprall die Form einer nach außen gerichteten Stoßwelle annimmt, die mit zunehmender Ausbreitung an Intensität gewinnt.

Eine Supernova ist die gleiche Art von Explosion wie diese Gummibälle-Demonstration. Ein alternder Stern besteht aus dichteren Schichten zur Mitte hin und dünneren Schichten nahe der Oberfläche. Die Kernreaktionen des Sterns gleichen normalerweise die Schwerkraft aus. Aber wenn dem Stern der Brennstoff ausgeht, verlangsamen sich die Kernreaktionen. Dies bedeutet, dass die Schwerkraft nicht mehr ausgeglichen ist. Die Schwerkraft beginnt den Stern zu kollabieren. Nachdem der Kern eines kollabierenden Sterns eine kritische Dichte erreicht hat, wird sein Druck stark genug, um den Kollaps aufzuhalten. Aber wie die Gummibälle ist der Stern nach innen gefallen und prallt jetzt zurück. Die äußeren Schichten werden in einer riesigen Explosion in den Weltraum geblasen und verbreiten fruchtbare Staubwolken im ganzen Universum. Aber wegen der Impulsübertragung überlebt der Kern des Sterns. Das zusammenbrechende Ereignis hat den Kern des Sterns so stark gequetscht, dass er sich in etwas Exotisches verwandelt. Wenn der Stern mit der 5- bis 12-fachen Masse unserer Sonne begann, wird der Kern zu einer großen Neutronenkugel, die als Neutronenstern bezeichnet wird. Wenn der Stern mit mehr als der 12-fachen Masse unserer Sonne gestartet ist, wird der Kern zu einem Schwarzen Loch. Sie könnten versucht sein zu argumentieren, dass, wenn ein Stern explodiert, sodass nur noch ein Schwarzes Loch übrigbleibt, nichts mehr übrig ist und der Stern daher vollständig zerstört wurde. Aber ein Schwarzes Loch ist nicht nichts. Schwarze Löcher haben Masse, Ladung, Drehimpuls und üben Schwerkraft aus. Ein Schwarzes Loch ist nur ein Stern, der dicht genug ist und daher stark genug graviert ist, um Licht am Entweichen zu hindern. Das durch eine Supernova entstandene Schwarze Loch ist der übrig gebliebene Kern des explodierten Sterns.

Nicht alle Sterne erleben eine Supernova. Sterne, die weniger als die 5-fache Masse unserer Sonne haben, sind zu leicht, um diese gewaltige Transformation zu erleben. They simply don't have enough gravity to collapse and rebound so violently. Instead, when lighter stars run out of nuclear fuel, they go through a series of stages and then settle down as long-lived white dwarfs. Whether stars end up as neutron stars, black holes, or white dwarfs, they never go completely away.


Neutron star collisions as a heavy element source


Half is a lot. I'm curious. What mechanisms distribute those heavy elements throughout the galaxy?

Type 1a supernovas create a different mix of elements from type II and type 1b.

Type 1a SN produce a lot of nickel and iron. Massive stars create iron by burning lighter elements. Massive star cores can not explain abundances seen in the Milky Way because the center of a star's core stays inside the neutron star.

How much nucleosynthesis does the outer core experience during the bounce, in that scenario?

As I understand it, the bounce is the only time that can happen, and the outer core is the only part with weight A >

50 that escapes the star (and maybe not most of that). So adding neutrons to to the outer core seems like the only way the SN can put neutron-rich nuclei into the ISM. Even then, I'd imagine most of the detritus (after radioactive decay) is only modestly enhanced in neutrons, so it wouldn't add much for, say, A > 100. True? Or do the simulations show a more favorable outcome?

You and @alantheastronomer have both made statements of this type, but I haven't seen any references or calculations to back up these statements, which makes them personal speculations. In addition to the paper I referenced in the OP, you can also look at this paper from the LIGO collaboration. Both make detailed estimates of the rate of NS-NS mergers, and come to the conclusion that NS-NS mergers happen at a rate sufficient to explain the R process elements. I've included a figure from this latter paper below. Of course, the rate is still uncertain, but I suspect that after another 5-10 years of LIGO/VIRGO observations it will be clear that there are more than enough of these events.

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No, I'm afraid this doesn't clear things up. Where does your estimate of NS-NS mergers of 1-2 per year for the entire universe come from? There are approximately 10^11 galaxies in the observable universe, so your estimate of NS-NS mergers is about 10^-11 per galaxy per year. Many people have done these estimates, and I won't list them all here, but almost all of these estimates have been in the range of 1-100 per galaxy per Myr, which is 10^-4 - 10^-6 per galaxy per year, which is 10^5-10^7 times greater than your estimate. Let me ask you two questions:

(1) If the rate is 10^-11 per galaxy per year, what would be the odds that LIGO, which was sensitive to around 10^6 galaxies, would detect a NS-NS merger in a few months of observing? Did they just get really really really lucky?

(2) If the rate is 10^-11 per galaxy per year, how can it be that even in the small portion of the Milky Way that we have surveyed, we already have found six verified NS-NS binaries, four of which will merge in the next few hundred million years? (See below)

Perhaps your confusion lies in calling these events "collisions". These are not NS wandering through space that randomly collide. These are binary star systems which evolve into binary NS, then spiral in and merge due to the emission of gravitational waves.

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Narrowing down the binary neutron star merger rate is a vital step in determining if these events are a viable candidates for heavy element enrichment of the MW.. It is relevant to take into account that binary NS merger is one of the few environments believed even capable of supporting r-process nucleosynthesis. So, it is perfectly understandable detecting such an event would be of immense interest The number of related papers published is no coincidence. The two big questions relate to: 1] them amount of heavy nuclei liberated and, 2] mergers frequency. This paper appears to cover the first count, but, falls a little short on the second.

The lack of well founded alternatives to NS mergers as a source of r-process elements appears to offer circumstantial encouragement for fine tuning projections of r-process element output and frequency of NS mergers. This paper, https://arxiv.org/pdf/1710.02142.pdf, points out that r-process contributions from single massive stars may still be necessary by noting

"Observations of lowest metallicity stars in our Galaxy and (ultra-faint) dwarf galaxies show substantial ”pollution” by r-process elements, indicating a production site with a low event rate and consistent high amount of r-process ejecta in order to explain solar abundances. This is also underlined by the large scatter of Eu/Fe (Eu being an r-process element and Fe stemming from CCSNe at these low metallicities) seen in the earliest stars of the Galaxy, indicating that in a not yet well mixed interstellar medium the products of regular CCSNe and these rare events vary substantially."


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