EINE NEUTRONENSTERNKOLLISION, DIE 12 MILLIARDEN JAHRE IN DER ENTSTEHUNG WAR

2017 fingen die Detektoren LIGO und Virgo die Gravitationswellen zweier Neutronensterne auf, die spiralförmig ineinanderstürzten: GW170817. Teleskope sahen danach die Explosion selbst, einen Ausbruch von Gammastrahlen und eine leuchtende Kilonova, in der Galaxie NGC 4993. Eine zweite Neutronensternverschmelzung, GW190425, wurde seitdem nachgewiesen, doch sie wurde nur ungenau lokalisiert, und es wurde kein Licht gefunden. GW170817 bleibt daher das einzige Gravitationswellenereignis, das je einer Galaxie zugeordnet wurde.

Diese Galaxie ist ein Hinweis. Ryan Foley von der University of California, Santa Cruz, nutzte sie, um zu fragen, wie lange solche Paare warten, bevor sie verschmelzen – und fand eine Antwort, die nicht zum üblichen Bild passt.

Die Wartezeit

Fachleute nennen sie die Verzögerungszeit (delay time): die Zeit zwischen der Geburt der Sterne und der Verschmelzung. Haben sich zwei Neutronensterne einmal gebildet, verlieren sie langsam Bahnenergie durch Gravitationswellen. Die Zeit, die das dauert, wächst mit der vierten Potenz ihres Abstands, sodass eng geborene Paare schnell verschmelzen und weit geborene spät.

Für einen breiten Bereich plausibler Anfangsabstände ergibt das eine einfache Regel: Die Zahl der Verschmelzungen pro Einheit Verzögerungszeit fällt wie 1 geteilt durch die Verzögerung. Fügt man eine Mindestverzögerung von etwa 10 Millionen Jahren hinzu, erhält man die kanonische Verteilung. Ihre Botschaft: Die meisten Paare verschmelzen bald nach der Geburt ihrer Sterne, und nur wenige warten Milliarden Jahre.

NGC 4993 datieren

NGC 4993 ist eine Galaxie vom „frühen Typ“, aus der Klasse, die Astronomen als S0 bezeichnen. In der Nähe der Stelle, an der die Kilonova leuchtete, liegen weder ein Sternhaufen noch ein Sternentstehungsgebiet, sodass sich das Paar höchstwahrscheinlich lange vor der Verschmelzung an einem anderen Ort der Galaxie gebildet hat. Foley modellierte deshalb die Sterne der gesamten Galaxie und kombinierte dafür Messungen in 14 Farben vom Ultraviolett bis zum Infrarot mit einem Spektrum des Instruments MUSE am Very Large Telescope.

Die Anpassung teilt die Geschichte der Galaxie in 20 Zeitabschnitte und lässt in jedem frei Sterne entstehen. Das Ergebnis ist eindeutig. Das Durchschnittsalter ihrer Sterne beträgt 12,4 Milliarden Jahre (zwischen 11,7 und 12,9, bei 90 % Konfidenz). Die Sternentstehung erreichte ihren Höhepunkt vor 12,5 bis 13 Milliarden Jahren mit 54 Sonnenmassen neuer Sterne pro Jahr und ist in den letzten 9 Milliarden Jahren unter einer Sonnenmasse pro Jahr geblieben. Etwa 96 % der Masse der Galaxie waren vor 10,2 Milliarden Jahren vorhanden. Schalen um die Galaxie deuten auf eine kleine Verschmelzung vor etwa einer Milliarde Jahren hin, doch das Spektrum zeigt keine Spur der jungen Sterne, die sie hervorgebracht haben könnte.

GW170817 hatte also höchstwahrscheinlich eine Verzögerung von ungefähr 12 Milliarden Jahren.

Eine Chance von 1,8 %

Foley kombinierte dieses Alter dann mit der kosmischen Geschichte der Sternentstehung, der von der Kollaboration LIGO-Virgo-KAGRA gemessenen Verschmelzungsrate und den beiden nachgewiesenen Verschmelzungen.

Unter der kanonischen Verteilung sollte es für jede heute gesehene Verschmelzung mit einer Verzögerung von 10 Milliarden Jahren etwa 2 mit einer Verzögerung von 1 Milliarde Jahren und 16 mit einer Verzögerung von 100 Millionen Jahren geben (für dieselbe Spanne an Verzögerungszeiten). Die Chance, dass eine nachgewiesene Verschmelzung so alt ist wie GW170817, beträgt nur 1,8 %. Der Grund ist schlicht: NGC 4993 bildete die Hälfte seiner Sterne vor mehr als 12,6 Milliarden Jahren, während das Universum als Ganzes bis dahin nur 1,1 % seiner Sterne gebildet hatte.

Im Durchschnitt bräuchte die Astronomie 55 weitere Nachweise, bevor eine solche zu erwarten wäre. Und doch erwies sich die allererste jemals lokalisierte Verschmelzung als genau dieser seltene Fall.

Was die Daten bevorzugen

Lässt man die Mindestverzögerung frei, sprechen die Daten für eine sehr lange. Eine Verteilung, in der kein Paar vor 12,6 Milliarden Jahren verschmilzt, wird gegenüber der kanonischen um einen Faktor 40 bis 140 bevorzugt, je nachdem, wie die Verschmelzungsrate einbezogen wird, und gegenüber den Verteilungen, die aus kurzen Gammastrahlenausbrüchen und aus Doppelneutronensternen in der Milchstraße abgeleitet wurden, um 80 bis 280. In einer Auswertung übersteigt die Mindestverzögerung 7,5 Milliarden Jahre bei 90 % Konfidenz.

Drei Auswege

Damit das kanonische Bild bestehen bleibt, müssen Verschmelzungen mit kurzer Verzögerung „fehlen“. Foley nennt drei Erklärungen.

• Die Paare könnten viel weiter voneinander entfernt geboren werden als angenommen. Eine Mindestverzögerung von 10 Milliarden Jahren bedeutet, dass kein Paar von Neutronensternen mit 1,5 Sonnenmassen näher als 0,021 Astronomische Einheiten beginnt. Foley hält das für unwahrscheinlich: Es stünde im Widerspruch zu bekannten Doppelneutronensternen und zu massereichen Doppelsternen.
• Die Detektoren könnten viele Verschmelzungen übersehen haben. Foley hält das für äußerst unwahrscheinlich.
• Ein anderer Weg zur Bildung von Paaren, mit langen Verzögerungen, könnte dem üblichen ebenbürtig sein oder ihn überwiegen.

Foley bevorzugt den dritten. Der vielversprechendste Kandidat sind dichte Sternhaufen, in denen sich Paare durch gravitative Begegnungen zwischen Sternen bilden können, mit Verzögerungen nahe am Alter des Universums. Von den rund 24 in der Milchstraße bekannten Doppelneutronensternen befinden sich ein bestätigter und drei unbestätigte in Kugelsternhaufen, einer Art dichter Sternhaufen. Doch am Ort von GW170817 wurde kein Haufen gesehen, und neuere Theorien sagen zu wenige Verschmelzungen in Haufen voraus: Die Rate müsste höher sein als erwartet.

Wellen über ein einzelnes Ereignis hinaus

Wenn Verschmelzungen so lange warten, kommen sie zu spät, um die junge Galaxis mit den Elementen des „r-Prozesses“ anzureichern, die sie schmieden, etwa Europium. Und Suchen, die nach dem Licht neuer Verschmelzungen jagen, indem sie sternbildende Galaxien bevorzugen, zielen womöglich nicht auf die vielversprechendsten Galaxien. Mit einer Mindestverzögerung von 10 Milliarden Jahren könnte keine solche Verschmelzung stattfinden, bevor das Universum 10 Milliarden Jahre alt war, sodass künftige Detektoren in großen Entfernungen weit weniger davon sehen würden.

All das beruht auf zwei Ereignissen, von denen nur eines lokalisiert ist. Foley erwartet, dass weitere Nachweise das Bild schärfen werden, und vermutet, dass die wahre Verteilung weniger einfach ist als ein einzelnes Potenzgesetz mit einer Mindestverzögerung.