Wie lokalisiert man Titanic-Kollisionen, die Millionen oder Milliarden Lichtjahre entfernt stattfinden? Erstens, indem große Bereiche des Himmels vermessen werden. Zweitens durch die Zusammenarbeit mit Observatorien auf der ganzen Welt. Wissenschaftler haben nach Kilonovae gesucht, wenn zwei Neutronensterne oder ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch kollidieren und beim Verschmelzen kurze, aber fantastische Lichtshows auslösen. Eine solche Kollision kann einen enormen Ausbruch verursachen, der helle Lichtkaskaden und Wellen in der Raumzeit aussendet.
Wie viele brillante Eruptionen wie diese ereignen sich im ganzen Universum? Wir wissen es noch nicht. Bisher wurden nur eine Handvoll Kilonovae-Kandidaten entdeckt. Das kommende römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA soll alle paar Tage dieselben Bereiche des Himmels untersuchen, was den Forschern helfen wird, Kilonova-Erkennungen weiterzuverfolgen oder sogar zu lokalisieren und idealerweise einen „Goldrausch“ neuer Informationen auszulösen.
Was passiert, wenn die dichtesten, massereichsten Sterne – die auch superklein sind – kollidieren? Sie senden brillante Explosionen aus, die als Kilonovae bekannt sind. Stellen Sie sich diese Ereignisse als das natürliche Feuerwerk des Universums vor. Theoretiker vermuten, dass sie periodisch überall im Kosmos auftreten – sowohl in der Nähe als auch in der Ferne. Wissenschaftler werden bald ein zusätzliches Observatorium haben, um diese bemerkenswerten Ereignisse zu verfolgen und sogar auszukundschaften: das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA, das bis Mai 2027 starten soll.
Die Hauptakteure in Kilonovae sind Neutronensterne, die zentralen Kerne von Sternen, die während Supernova-Explosionen unter der Schwerkraft kollabierten. Sie haben jeweils eine ähnliche Masse wie die Sonne, haben aber nur einen Durchmesser von etwa 10 Kilometern.
Und wenn sie kollidieren, senden sie Trümmer aus, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Es wird auch angenommen, dass diese Explosionen schwere Elemente wie Gold, Platin und Strontium schmieden (was dem tatsächlichen Feuerwerk seine atemberaubenden Rottöne verleiht). Kilonovae schießen diese Elemente durch den Weltraum und ermöglichen es ihnen möglicherweise, in Felsen zu landen, die die Kruste von terrestrischen Planeten wie der Erde bilden.
Die astronomische Gemeinschaft hat eines dieser bemerkenswerten Kilonova-Ereignisse im Jahr 2017 festgehalten. Wissenschaftler des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) der National Science Foundation entdeckten zuerst die Kollision zweier Neutronensterne mit Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit. Fast gleichzeitig entdeckte das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA hochenergetisches Licht. Die NASA drehte sich schnell um, um das Ereignis mit einer breiteren Flotte von Teleskopen zu beobachten, und hielt das verblassende Leuchten der sich ausdehnenden Trümmer der Explosion in einer Reihe von Bildern fest.
Aber die Spieler in diesem Beispiel kollidierten praktisch in unserem „Hinterhof“, zumindest in astronomischen Maßstäben. Sie liegen nur 130 Millionen Lichtjahre entfernt. Es muss noch mehr Kilonovae geben – und viele, die weiter entfernt sind –, die unser immer aktives Universum prägen.
„Wir kennen die Häufigkeit dieser Ereignisse noch nicht“, sagte Daniel M. Scolnic, Assistenzprofessor für Physik an der Duke University in Durham, North Carolina. Scolnic leitete eine Studie, die die Anzahl der Kilonovae schätzt, die von vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Observatorien, einschließlich Roman, entdeckt werden könnten. „Ist die einzelne Kilonova, die wir identifiziert haben, typisch? Wie hell sind diese Explosionen? In welchen Arten von Galaxien kommen sie vor?“ Bestehende Teleskope können nicht weit genug Bereiche abdecken oder tief genug beobachten, um weiter entfernte Beispiele zu finden, aber das wird sich mit Roman ändern.
Mehr und weiter entfernte Kilonovae entdecken
In diesem Stadium ist LIGO führend bei der Identifizierung von Neutronensternverschmelzungen. Es kann Gravitationswellen in allen Bereichen des Himmels erkennen, aber einige der entferntesten Kollisionen sind möglicherweise zu schwach, um identifiziert zu werden. Roman wird sich der Suche von LIGO anschließen und komplementäre Qualitäten anbieten, die helfen, das Team „auszufüllen“. Roman ist ein Durchmusterungsteleskop, das wiederholt dieselben Bereiche des Himmels abtastet.
Außerdem ist Romans Sichtfeld 200-mal größer als das Infrarotsichtfeld des Hubble-Weltraumteleskops – nicht so groß wie das von LIGO, aber riesig für ein Teleskop, das Bilder aufnimmt. Seine Kadenz wird es Forschern ermöglichen, zu erkennen, wann Objekte am Himmel heller oder dunkler werden, ob in der Nähe oder sehr weit entfernt.
Roman wird den Forschern ein leistungsfähiges Werkzeug zur Beobachtung extrem entfernter Kilonovae an die Hand geben. Das liegt an der Flächenausdehnung. Licht, das die Sterne vor Milliarden von Jahren verlassen hat, wird im Laufe der Zeit zu längeren, röteren Wellenlängen gestreckt, die als Infrarotlicht bekannt sind. Da Roman auf die Erfassung von Nahinfrarotlicht spezialisiert ist, erkennt es Licht von sehr weit entfernten Objekten. Wie weit?
„Roman wird in der Lage sein, einige Kilonovae zu sehen, deren Licht etwa 7 Milliarden Jahre zurückgelegt hat, um die Erde zu erreichen“, erklärte Eve Chase, Postdoktorandin am Los Alamos National Laboratory in Los Alamos, New Mexico. Chase leitete eine neuere Studie, die simulierte, wie Unterschiede in Kilonovae-Ejekta variieren können, was wir von Observatorien, einschließlich Roman, erwarten.
Nahinfrarotlicht hat noch einen zweiten Vorteil: Es bietet mehr Zeit, um diese kurzlebigen Ausbrüche zu beobachten. Kürzere Wellenlängen des Lichts, wie ultraviolettes und sichtbares Licht, verschwinden in ein oder zwei Tagen aus dem Blickfeld. Nahinfrarotlicht kann für eine Woche oder länger gesammelt werden. Forscher haben die Daten simuliert, um zu sehen, wie dies funktionieren wird. „Für eine Teilmenge simulierter Kilonovae wäre Roman in der Lage, etwas mehr als zwei Wochen nach der Verschmelzung der Neutronensterne zu beobachten“, fügte Chase hinzu. „Es wird ein hervorragendes Werkzeug sein, um sehr weit entfernte Kilonovae zu betrachten.“
Bald werden Forscher viel mehr darüber wissen, wo Kilonovae vorkommen und wie oft diese Explosionen in der Geschichte des Universums vorkommen. Waren diejenigen, die früher auftraten, in irgendeiner Weise anders? „Roman wird es der Astronomie-Community ermöglichen, mit der Durchführung von Bevölkerungsstudien zusammen mit einer Reihe neuer Analysen zur Physik dieser Explosionen zu beginnen“, sagte Scolnic.
Ein Vermessungsteleskop bietet enorme Möglichkeiten – und auch eine Menge Daten, die präzises maschinelles Lernen erfordern. Astronomen stellen sich dieser Herausforderung, indem sie Code schreiben, um diese Suchen zu automatisieren. Letztendlich werden Romans riesige Datensätze den Forschern dabei helfen, die vielleicht größten Geheimnisse über Kilonovae bis heute zu lüften: Was passiert, nachdem zwei Neutronensterne kollidieren? Erzeugt es einen einzelnen Neutronenstern, ein Schwarzes Loch oder etwas ganz anderes? Mit Roman werden wir die Statistiken sammeln, die Forscher benötigen, um wesentliche Durchbrüche zu erzielen.