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Kilonova Eine alternativ auch Macronova ist der Helligkeitsausbruch eines verschmelzenden Doppelsterns dessen elektromag

Kilonova

Eine Kilonova (alternativ auch Macronova) ist der Helligkeitsausbruch eines verschmelzenden Doppelsterns, dessen elektromagnetische Strahlung durch den radioaktiven Zerfall von Elementen angetrieben wird, die im r-Prozess gebildet wurden. Der Begriff Kilonova bezieht sich auf die freigesetzte Energie, die ungefähr den tausendfachen Wert einer klassischen Nova erreicht und lichtschwächer ist als eine normale Supernova.

Künstlerische Darstellung einer Kilonova.

Eigenschaften Bearbeiten

Kilonovae können bei einer Verschmelzung zweier Neutronensterne oder der Verschmelzung eines schwarzen Loches mit einem Neutronenstern auftreten. Dabei wird der masseärmere Neutronenstern durch die Gezeitenkräfte des schwereren Begleiters zerstört. Während der größte Teil der Materie des zerrissenen Sterns aus einer Akkretionsscheibe auf den massereicheren Begleiter akkretiert wird, werden 0,001 bis 0,1 Sonnenmassen des zerstörten Neutronensterns isotrop mit einer Geschwindigkeit vom 0,1- bis 0,2-fachen der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen. Durch vielfachen, rasch aufeinander folgenden Neutroneneinfang in Verbindung mit Beta-Zerfall (r-Prozess) entstehen dabei schwere Atomkerne. Die neu synthetisierten radioaktiven Elemente zerfallen, und die dabei emittierte Strahlung kann als ein 0,5 bis 10 Tage dauernder Ausbruch mit einer Leuchtkraft 1034 bis 1035,5 W nachgewiesen werden. Das zu erwartende Spektrum wurde 2010 von Brian Metzger und Kollegen vorhergesagt (Metzger erhielt dafür für 2019 den New Horizons in Physics Prize).

Spektrum der Kilonova AT 2017gfo im Verlauf von 1,5 bis 10,5 Tagen.

Das Spektrum einer Kilonova sollte einzigartig, als quasi-thermisch mit einer Temperatur von 10.000 K, sein, und – wegen der hohen Expansionsgeschwindigkeit – keinerlei Spektrallinien zeigen. Die Verschmelzung zweier kompakter Sterne emittiert Gravitationswellen, die mit Gravitationswellendetektoren wie LIGO oder VIRGO beobachtbar sind.

Die ausgestoßene Materie tritt in Wechselwirkung mit vorhandener zirkumstellarer Materie, und mittels Bremsstrahlung dürfte ein mehrere Tage andauernder Radioausbruch nachweisbar sein. Die Verschmelzung zweier kompakter Sterne gilt auch als die Ursache für Gammablitze (gamma-ray bursts: GRB) kurzer Dauer. Ein Gammablitz sollte einige Sekunden nach dem Gravitationswellen-Signal auftreten. Von dem relativ nahen GRB 130603B, der als eine Kilonova interpretiert werden kann, ist ein GRB-Nachglühen im Infraroten beobachtet worden.

Kilonovae werden als eine bedeutende Quelle für die schweren Elemente des r-Prozesses mit Atommassen von über 130 angesehen, da der Beitrag von Supernova-Ejekta zu diesen Elementen zu gering zu sein scheint, um die gemessenen Werte in der interstellaren Materie zu erklären.

Die Lichtkurve in den folgenden Wochen sollte durch den radioaktiven Zerfall von bei der Kollision gebildeten Elementen wie Radium bestimmt werden.

GW170817 = GRB 170817A Bearbeiten

Am 17. August 2017 wurde ein Gravitationswellenereignis durch die beiden LIGO-Detektoren zusammen mit dem Virgo-Detektor registriert. 1,7 Sekunden später registrierte das Fermi Gamma-ray Space Telescope den Gammablitz GRB 170817A, und beide Beobachtungen konnten mit einem optischen Transient in der Galaxie NGC 4993 in Verbindung gebracht werden. Die Kilonova konnte im optischen, infraroten, ultravioletten, Röntgen- und Radiobereich beobachtet werden. Aus der Lichtkurve und der Entfernung zu der S0-Galaxie konnte eine Leuchtkraft von 3×1034 W abgeleitet werden. Die ausgestoßene Masse wurde modelliert zu (2−2,5)×10−2 Sonnenmassen bei einer Geschwindigkeit von dem 0,3-fachen der Lichtgeschwindigkeit. Der Farbindex wandelte sich innerhalb weniger Tage von Blau nach Rot, und nach einer Woche emittierte die Kilonova die meiste elektromagnetische Strahlung im Bereich des Infraroten. Die Emission von Röntgenstrahlung scheint überwiegend die Folge einer Wechselwirkung zwischen den ausgestoßenen Ejekta und zirkumstellarer Materie zu sein. Der Gammablitz strahlte 95 Prozent seiner Energie in weniger als zwei Sekunden ab und hatte eine ungewöhnlich geringe Leuchtkraft. Wahrscheinlich lag die Erde nicht in Richtung eines der beiden Jets. Die lanthanoidreiche Kilonova GW170817 gilt als eine direkte Bestätigung, dass die meisten durch den r-Prozess gebildeten Elemente in der Kollision von Neutronensternen entstehen.

Erkenntnisse aus Kilonova-Ereignissen Bearbeiten

Die Bestätigung von Mergerbursts durch zwei Neutronensterne kann genutzt werden um

  • den Wert der Hubble-Konstanten zu präzisieren
  • die Massengrenze von Neutronensternen zu messen
  • die Eigenschaften von Jets von GRBs außerhalb der Achse zu studieren
  • die Zustandsgleichung dichter Materie besser abzuschätzen

Weblinks Bearbeiten

Commons: Kilonova – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Kilonova – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Fußnoten Bearbeiten

  1. L. K. Nuttall, D. J. White, P. J. Sutton, E. J. Daw, V. S. Dhillon, W. Zheng, C. Akerlof: Large-Scale Image Processing with the ROTSE Pipeline for Follow-Up of Gravitational Wave Events. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arxiv:1211.6713v2.
  2. N. R. Tanvir, A. J. Levan, A. S. Fruchter, J. Hjorth, K. Wiersema, R. Tunnicliffe, A. de Ugarte Postigo: A ‘kilonova’ associated with the short-duration γ-ray burst GRB 130603B. In: Nature. Band 500, Nr. 7464, 2013, S. 547–549, doi:10.1038/nature12505, arxiv:1306.4971.
  3. Brian D. Metzger, Edo Berger: What is the Most Promising Electromagnetic Counterpart of a Neutron Star Binary Merger? In: The Astrophysical Journal. Band 746, Nr. 48, 2012, doi:10.1088/0004-637X/746/1/48, arxiv:1108.6056.
  4. Luke Zoltan Kelley, Ilya Mandel, Enrico Ramirez-Ruiz: Electromagnetic transients as triggers in searches for gravitational waves from compact binary mergers. In: Physical Review D. Band 87, Nr. 12, 2012, S. 123004, doi:10.1103/PhysRevD.87.123004, arxiv:1209.3027.
  5. Brian D. Metzger: Kilonovae. In: Living Reviews in Relativity. Band 20, Nr. 3, 2017, doi:10.1007/s41114-017-0006-z, arxiv:1610.09381.
  6. E. Berger, W. Fong, R. Chornock: Smoking Gun or Smoldering Embers? A Possible r-process Kilonova Associated with the Short-Hard GRB 130603B. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2013, arxiv:1306.3960.
  7. S. Rosswog, O. Korobkin, A. Arcones, F.-K. Thielemann: The longterm evolution of neutron star merger remnants I: the impact of r-process nucleosynthesis. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 439, 2014, S. 744–756, doi:10.1093/mnras/stt2502, arxiv:1307.2939.
  8. Watson et al.: Identification of strontium in the merger of two neutron stars. In: Nature. Band 574, 2019, S. 497–500, arxiv:1910.10510.
  9. Iair Arcavi at al.: Optical emission from a kilonova following a gravitational-wave-detected neutron-star merger. In: Nature. Band 551, Nr. 7678, 2017, S. 64–66, doi:10.1038/nature24291, arxiv:1710.05843.
  10. ESO-Teleskope beobachten erstes Licht einer Gravitationswellen-Quelle - Verschmelzende Neutronensterne verstreuen Gold und Platin im Weltraum. Abgerufen am 17. Oktober 2017.
  11. S. J. Smartt at al.: A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2017, arxiv:1710.05841v2.
  12. Masaomi Tanaka at al.: Kilonova from post-merger ejecta as an optical and near-infrared counterpart of GW170817. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2017, arxiv:1710.05850v1.
  13. P.A. Evans at al.: Swift and NuSTAR observations of GW170817: detection of a blue kilonova. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2017, arxiv:1710.05437v1.
  14. N. R. Tanvir, at al.: The Emergence of a Lanthanide-Rich Kilonova Following the Merger of Two Neutron Stars. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2017, arxiv:1710.05455v1.
  15. Naoki Seto, Koutarou Kyutoku: Prospects of the local Hubble parameter measurement using gravitational waves from double neutron stars. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2017, arxiv:1710.06424v1.
  16. Ben Margalit, Brian Metzger: Constraining the Maximum Mass of Neutron Stars From Multi-Messenger Observations of GW170817. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2017, arxiv:1710.05938v1.
  17. Sam Kim et al.: ALMA and GMRT constraints on the off-axis gamma-ray burst 170817A from the binary neutron star merger GW170817. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2017, arxiv:1710.05847v1.
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Eine Kilonova alternativ auch Macronova ist der Helligkeitsausbruch eines verschmelzenden Doppelsterns dessen elektromagnetische Strahlung durch den radioaktiven Zerfall von Elementen angetrieben wird die im r Prozess gebildet wurden Der Begriff Kilonova bezieht sich auf die freigesetzte Energie die ungefahr den tausendfachen Wert einer klassischen Nova erreicht und lichtschwacher ist als eine normale Supernova 1 Kunstlerische Darstellung einer Kilonova Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 GW170817 GRB 170817A 3 Erkenntnisse aus Kilonova Ereignissen 4 Weblinks 5 FussnotenEigenschaften BearbeitenKilonovae konnen bei einer Verschmelzung zweier Neutronensterne oder der Verschmelzung eines schwarzen Loches mit einem Neutronenstern auftreten 2 Dabei wird der massearmere Neutronenstern durch die Gezeitenkrafte des schwereren Begleiters zerstort Wahrend der grosste Teil der Materie des zerrissenen Sterns aus einer Akkretionsscheibe auf den massereicheren Begleiter akkretiert wird werden 0 001 bis 0 1 Sonnenmassen des zerstorten Neutronensterns isotrop mit einer Geschwindigkeit vom 0 1 bis 0 2 fachen der Lichtgeschwindigkeit ausgestossen Durch vielfachen rasch aufeinander folgenden Neutroneneinfang in Verbindung mit Beta Zerfall r Prozess entstehen dabei schwere Atomkerne Die neu synthetisierten radioaktiven Elemente zerfallen und die dabei emittierte Strahlung kann als ein 0 5 bis 10 Tage dauernder Ausbruch mit einer Leuchtkraft 1034 bis 1035 5 W nachgewiesen werden 3 Das zu erwartende Spektrum wurde 2010 von Brian Metzger und Kollegen vorhergesagt Metzger erhielt dafur fur 2019 den New Horizons in Physics Prize nbsp Spektrum der Kilonova AT 2017gfo im Verlauf von 1 5 bis 10 5 Tagen Das Spektrum einer Kilonova sollte einzigartig als quasi thermisch mit einer Temperatur von 10 000 K sein und wegen der hohen Expansionsgeschwindigkeit keinerlei Spektrallinien zeigen Die Verschmelzung zweier kompakter Sterne emittiert Gravitationswellen die mit Gravitationswellendetektoren wie LIGO oder VIRGO beobachtbar sind Die ausgestossene Materie tritt in Wechselwirkung mit vorhandener zirkumstellarer Materie und mittels Bremsstrahlung durfte ein mehrere Tage andauernder Radioausbruch nachweisbar sein 4 Die Verschmelzung zweier kompakter Sterne gilt auch als die Ursache fur Gammablitze gamma ray bursts GRB kurzer Dauer Ein Gammablitz sollte einige Sekunden nach dem Gravitationswellen Signal auftreten 5 Von dem relativ nahen GRB 130603B der als eine Kilonova interpretiert werden kann ist ein GRB Nachgluhen im Infraroten beobachtet worden 6 Kilonovae werden als eine bedeutende Quelle fur die schweren Elemente des r Prozesses mit Atommassen von uber 130 angesehen da der Beitrag von Supernova Ejekta zu diesen Elementen zu gering zu sein scheint um die gemessenen Werte in der interstellaren Materie zu erklaren 7 8 Die Lichtkurve in den folgenden Wochen sollte durch den radioaktiven Zerfall von bei der Kollision gebildeten Elementen wie Radium bestimmt werden 9 GW170817 GRB 170817A Bearbeiten Hauptartikel GW170817 Am 17 August 2017 wurde ein Gravitationswellenereignis durch die beiden LIGO Detektoren zusammen mit dem Virgo Detektor registriert 10 1 7 Sekunden spater registrierte das Fermi Gamma ray Space Telescope den Gammablitz GRB 170817A und beide Beobachtungen konnten mit einem optischen Transient in der Galaxie NGC 4993 in Verbindung gebracht werden 11 Die Kilonova konnte im optischen infraroten ultravioletten Rontgen und Radiobereich beobachtet werden Aus der Lichtkurve und der Entfernung zu der S0 Galaxie konnte eine Leuchtkraft von 3 1034 W abgeleitet werden Die ausgestossene Masse wurde modelliert zu 2 2 5 10 2 Sonnenmassen bei einer Geschwindigkeit von dem 0 3 fachen der Lichtgeschwindigkeit Der Farbindex wandelte sich innerhalb weniger Tage von Blau nach Rot und nach einer Woche emittierte die Kilonova die meiste elektromagnetische Strahlung im Bereich des Infraroten 12 Die Emission von Rontgenstrahlung scheint uberwiegend die Folge einer Wechselwirkung zwischen den ausgestossenen Ejekta und zirkumstellarer Materie zu sein Der Gammablitz strahlte 95 Prozent seiner Energie in weniger als zwei Sekunden ab und hatte eine ungewohnlich geringe Leuchtkraft Wahrscheinlich lag die Erde nicht in Richtung eines der beiden Jets 13 Die lanthanoidreiche Kilonova GW170817 gilt als eine direkte Bestatigung dass die meisten durch den r Prozess gebildeten Elemente in der Kollision von Neutronensternen entstehen 14 Erkenntnisse aus Kilonova Ereignissen BearbeitenDie Bestatigung von Mergerbursts durch zwei Neutronensterne kann genutzt werden um den Wert der Hubble Konstanten zu prazisieren 15 die Massengrenze von Neutronensternen zu messen 16 die Eigenschaften von Jets von GRBs ausserhalb der Achse zu studieren 17 die Zustandsgleichung dichter Materie besser abzuschatzen 18 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Kilonova Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien nbsp Wiktionary Kilonova Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen sueddeutsche de 16 Oktober 2017 Astronomen beobachten erstmals Ursprung von GravitationswellenFussnoten Bearbeiten L K Nuttall D J White P J Sutton E J Daw V S Dhillon W Zheng C Akerlof Large Scale Image Processing with the ROTSE Pipeline for Follow Up of Gravitational Wave Events In Astrophysics Solar and Stellar Astrophysics 2012 arxiv 1211 6713v2 N R Tanvir A J Levan A S Fruchter J Hjorth K Wiersema R Tunnicliffe A de Ugarte Postigo A kilonova associated with the short duration g ray burst GRB 130603B In Nature Band 500 Nr 7464 2013 S 547 549 doi 10 1038 nature12505 arxiv 1306 4971 Brian D Metzger Edo Berger What is the Most Promising Electromagnetic Counterpart of a Neutron Star Binary Merger In The Astrophysical Journal Band 746 Nr 48 2012 doi 10 1088 0004 637X 746 1 48 arxiv 1108 6056 Luke Zoltan Kelley Ilya Mandel Enrico Ramirez Ruiz Electromagnetic transients as triggers in searches for gravitational waves from compact binary mergers In Physical Review D Band 87 Nr 12 2012 S 123004 doi 10 1103 PhysRevD 87 123004 arxiv 1209 3027 Brian D Metzger Kilonovae In Living Reviews in Relativity Band 20 Nr 3 2017 doi 10 1007 s41114 017 0006 z arxiv 1610 09381 E Berger W Fong R Chornock Smoking Gun or Smoldering Embers A Possible r process Kilonova Associated with the Short Hard GRB 130603B In Astrophysics Solar and Stellar Astrophysics 2013 arxiv 1306 3960 S Rosswog O Korobkin A Arcones F K Thielemann The longterm evolution of neutron star merger remnants I the impact of r process nucleosynthesis In Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Band 439 2014 S 744 756 doi 10 1093 mnras stt2502 arxiv 1307 2939 Watson et al Identification of strontium in the merger of two neutron stars In Nature Band 574 2019 S 497 500 arxiv 1910 10510 Iair Arcavi at al Optical emission from a kilonova following a gravitational wave detected neutron star merger In Nature Band 551 Nr 7678 2017 S 64 66 doi 10 1038 nature24291 arxiv 1710 05843 ESO Teleskope beobachten erstes Licht einer Gravitationswellen Quelle Verschmelzende Neutronensterne verstreuen Gold und Platin im Weltraum Abgerufen am 17 Oktober 2017 S J Smartt at al A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational wave source In Astrophysics Solar and Stellar Astrophysics 2017 arxiv 1710 05841v2 Masaomi Tanaka at al Kilonova from post merger ejecta as an optical and near infrared counterpart of GW170817 In Astrophysics Solar and Stellar Astrophysics 2017 arxiv 1710 05850v1 P A Evans at al Swift and NuSTAR observations of GW170817 detection of a blue kilonova In Astrophysics Solar and Stellar Astrophysics 2017 arxiv 1710 05437v1 N R Tanvir at al The Emergence of a Lanthanide Rich Kilonova Following the Merger of Two Neutron Stars In Astrophysics Solar and Stellar Astrophysics 2017 arxiv 1710 05455v1 Naoki Seto Koutarou Kyutoku Prospects of the local Hubble parameter measurement using gravitational waves from double neutron stars In Astrophysics Solar and Stellar Astrophysics 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