Am 9. November 2024 berichteten Astronomen über die ersten detaillierten Beobachtungen der Bildung schwerer Elemente, die aus einer Neutronensternkollision resultieren, die 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Dieses Ereignis führte zu einer kolossalen Explosion, die das kleinste jemals beobachtete schwarze Loch erzeugte und einen chronologischen Bericht über die Bildung schwerer Atome lieferte.
Neutronensterne sind Überreste massiver Sterne (7 bis 19 Sonnenmassen), die kollabieren, nachdem sie ihren nuklearen Brennstoff erschöpft haben. Ihre äußeren Schichten werden während der Supernova-Explosionen ausgestoßen, sodass ein hyperdichter Kern zurückbleibt, der etwa zwei Sonnenmassen in einer Kugel von etwa 20 Kilometern Durchmesser enthält. Der gravitative Kollaps zwingt Elektronen und Protonen zur Kombination, wodurch Neutronen entstehen.
Einige Neutronensterne existieren in binären Systemen, die entweder einen normalen Stern oder einen anderen Neutronenstern umkreisen. Wenn letzterer die Supernova-Explosion des ersten überlebt, erzeugen sie aufgrund ihrer extremen Dichten Gravitationswellen, während sie sich näher zusammen bewegen. Schließlich produziert ihre Kollision eine Kilonova-Explosion, von der angenommen wird, dass sie schwere Elemente wie Gold und Platin erzeugt.
Dieser Prozess war bis jetzt nicht detailliert charakterisiert worden. Forscher des Cosmic DAWN Centers am Niels Bohr Institut der Universität Kopenhagen kombinierten Lichtmessungen der Kilonova AT2017gfo mit mehreren Teleskopen und markierten die erste Beobachtung der Bildung dieser Elemente. Mitautor Rasmus Damgaard erklärte: "Wir können jetzt den Moment sehen, in dem sich atomare Kerne und Elektronen in dieser verbleibenden Lumineszenz vereinen." Er fügte hinzu: "Zum ersten Mal sind wir Zeugen der Schaffung von Atomen und messen die Temperatur des Materials."
Das Team analysierte das Licht von AT2017gfo, das aus der katastrophalen Kollision zweier Neutronensterne resultierte, die ein kleines schwarzes Loch erzeugte und neutronenreiche Materie in einer Plasma-Sphäre ausstieß, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Die Helligkeit der Kilonova entsprach der von Hunderten von Millionen Sonnen aufgrund der enormen Strahlung, die von der radioaktiven Zerfall der beteiligten Elemente ausging.
In den unmittelbaren Folgen der Kollision erreichte das ausgestoßene Material Temperaturen von mehreren Milliarden Grad, tausendmal heißer als der Kern der Sonne und vergleichbar mit den Bedingungen im Universum nur eine Sekunde nach dem Urknall. Diese extremen Bedingungen führten dazu, dass sich Elektronen von atomaren Kernen lösten und ein sich ständig bewegendes ionisiertes Plasma bildeten.
Im Laufe der Zeit kühlte das Material ab, ähnlich wie das Universum nach dem Urknall. Etwa 370.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Material ausreichend abgekühlt, damit sich Elektronen an atomare Kerne binden konnten und die ersten Atome bildeten. Ein ähnlicher Prozess der schnellen Neutroneneinfangung tritt während einer Kilonova-Explosion auf und erzeugt Elemente, die schwerer als Eisen sind.
Albert Sneppen, der Hauptautor der Studie, bemerkte, dass die Entwicklung der Kilonova so schnell verläuft, dass kein einzelnes Teleskop ihre gesamte Geschichte erfassen kann, da die Erde sich dreht. Daher kombinierte das Team Messungen von Teleskopen in Australien, Südafrika und dem Hubble-Weltraumteleskop.
Diese Zusammenarbeit lieferte eine Chronologie der Bildung schwerer Atome. Nach der Explosion der Kilonova dehnt sich die Materiesphäre so schnell aus, dass das Licht mehrere Stunden benötigt, um sie vollständig zu durchqueren, was es den Forschern ermöglicht, die Chronologie der Explosion vom Rand der Sphäre aus zurückzuverfolgen. Im Teil, der der Erde am nächsten ist, sind die Elektronen bereits an atomare Kerne gebunden, während das schwarze Loch sich am anderen Ende noch bildet.
Damgaard bemerkte: "Es ist, als würde man drei Strahlungen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund um uns herum beobachten, aber hier können wir alles von außen sehen. Wir sehen vor, während und nach dem Moment der Geburt von Atomen." Die Forscher konnten die Bildung schwerer Elemente wie Strontium und Yttrium beobachten und vermuten, dass auch andere nicht aufgeführte schwere Elemente entstanden sein könnten.