Webb entdeckt zum ersten Mal ein schweres Element aus der Sternenverschmelzung

Unter welchen Bedingungen viele chemische Elemente im Universum entstehen, war lange Zeit ein Rätsel. Dazu gehören Elemente, die für das Leben, wie wir es kennen, sehr wertvoll oder sogar lebenswichtig sind. Dank des James-Webb-Weltraumteleskops und eines hochenergetischen Ereignisses sind Astronomen der Antwort nun einen Schritt näher gekommen: dem zweithellsten jemals entdeckten Gammastrahlenausbruch, der höchstwahrscheinlich durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne verursacht wurde – welche zu einer Explosion führte bekannt als Kilonova. Mit Webbs spektakulärer Empfindlichkeit erfassten Wissenschaftler das erste mittlere Infrarotspektrum einer Kilonova aus dem Weltraum, dass den ersten direkten Blick auf ein einzelnes schweres Element eines solchen Ereignisses markierte.

Ein Team von Wissenschaftlern hat mehrere weltraum- und bodengestützte Teleskope, darunter das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA, genutzt, um einen außergewöhnlich hellen Gammastrahlenausbruch, GRB 230307A, zu beobachten und die Neutronensternverschmelzung zu identifizieren, die die Explosion ausgelöst und den den Ausbruch verursacht hat. Webb half Wissenschaftlern auch dabei, das chemische Element Tellur nach der Explosion zu entdecken. 

Andere Elemente in der Nähe von Tellur im Periodensystem  –  wie Jod, das für einen Großteil des Lebens auf der Erde benötigt wird  –  sind wahrscheinlich auch im ausgestoßenen Material der Kilonova vorhanden. Eine Kilonova ist eine Explosion, die durch die Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch oder einem anderen Neutronenstern entsteht.

„ Etwas mehr als 150 Jahre, seit Dmitri Mendelejew das Periodensystem der Elemente niederschrieb, sind wir dank Webb nun endlich in der Lage, die letzten Wissenslücken zu füllen, in denen alles entstanden ist“, sagte Andrew Levan von der Radboud University in London Niederlande und der University of Warwick im Vereinigten Königreich, Hauptautor der Studie.

Während Neutronensternverschmelzungen seit langem als ideale „Schnellkochtöpfe“ für die Entstehung einiger der selteneren Elemente gelten, die wesentlich schwerer als Eisen sind, stießen Astronomen zuvor auf einige Hindernisse, um solide Beweise zu erhalten.

Kilonovas sind äußerst selten, was die Beobachtung dieser Ereignisse erschwert. Kurze Gammastrahlenausbrüche (GRBs), von denen traditionell angenommen wird, dass sie weniger als zwei Sekunden dauern, können Nebenprodukte dieser seltenen Fusionsepisoden sein. Im Gegensatz dazu können lange Gammastrahlenausbrüche mehrere Minuten dauern und sind normalerweise mit dem explosiven Tod eines massereichen Sterns verbunden.

Besonders bemerkenswert ist der Fall von GRB 230307A. Es wurde erstmals im März vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA entdeckt und ist der zweithellste GRB, der seit über 50 Jahren beobachtet wurde. Er ist etwa 1000-mal heller als ein typischer Gammastrahlenausbruch, den Fermi beobachtet. Es dauerte auch 200 Sekunden und ordnete es trotz seines unterschiedlichen Ursprungs fest in die Kategorie der Langzeit-Gammastrahlenausbrüche ein.

„ Dieser Ausbruch gehört weit in die lange Kategorie. Es liegt nicht in der Nähe der Grenze. Aber es scheint von einem verschmelzenden Neutronenstern zu kommen “, fügte Eric Burns, Mitautor der Arbeit und Mitglied des Fermi-Teams an der Louisiana State University, hinzu.

Die Zusammenarbeit vieler Teleskope am Boden und im Weltraum ermöglichte es den Wissenschaftlern, eine Fülle von Informationen über dieses Ereignis zusammenzutragen, sobald der Ausbruch entdeckt wurde. Es ist ein Beispiel dafür, wie Satelliten und Teleskope zusammenarbeiten, um Veränderungen im Universum zu beobachten, während sie sich entfalten.

Nach der ersten Entdeckung wurde eine intensive Reihe von Beobachtungen vom Boden und aus dem Weltraum in Angriff genommen, um die Quelle am Himmel zu lokalisieren und zu verfolgen, wie sich ihre Helligkeit veränderte. Diese Beobachtungen im Gamma-, Röntgen-, optischen, Infrarot- und Radiobereich zeigten, dass das optische/infrarote Gegenstück schwach war, sich schnell entwickelte und sehr rot wurde – die Kennzeichen einer Kilonova.

„ Diese Art von Explosion ist sehr schnell, wobei sich das Material in der Explosion ebenfalls schnell ausdehnt “, sagte Om Sharan Salafia, Mitautor der Studie am INAF – Brera Astronomical Observatory in Italien. „ Während sich die gesamte Wolke ausdehnt, kühlt das Material schnell ab und der Höhepunkt seines Lichts wird im Infrarotbereich sichtbar und wird in Zeitskalen von Tagen bis Wochen röter .“ 

Zu späteren Zeiten wäre es unmöglich gewesen, diese Kilonova vom Boden aus zu untersuchen, aber dies waren die perfekten Bedingungen für Webbs NIRCam ( Near-Infrared Camera ) und NIRSpec ( Near-Infrared Spectrograph ) Instrumente, um diese turbulente Umgebung zu beobachten. Das Spektrum weist breite Linien auf, die zeigen, dass das Material mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird, aber ein Merkmal ist klar: Licht, das von Tellur emittiert wird, einem Element, das auf der Erde seltener als Platin ist.

Die hochempfindlichen Infrarotfähigkeiten von Webb halfen Wissenschaftlern, die Heimatadresse der beiden Neutronensterne zu identifizieren, die die Kilonova erzeugten: eine Spiralgalaxie, die etwa 120.000 Lichtjahre vom Ort der Verschmelzung entfernt ist. 

Vor ihrem Vorhaben waren sie einst zwei Sterne mit normaler Masse, die in ihrer Heimatspiralgalaxie ein Doppelsternsystem bildeten. Da das Duo durch die Schwerkraft gebunden war, wurden beide Sterne bei zwei verschiedenen Gelegenheiten gemeinsam ins All geschossen: als einer der beiden als Supernova explodierte und sich in einen Neutronenstern verwandelte, und als der andere Stern diesem Beispiel folgte.

In diesem Fall blieben die Neutronensterne trotz zweier explosiver Stöße als Doppelsternsystem bestehen und wurden aus ihrer Heimatgalaxie geschleudert. Das Paar bewegte sich etwa so weit, wie es dem Durchmesser der Milchstraße entspricht, bevor es mehrere hundert Millionen Jahre später verschmolz.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass in Zukunft noch mehr Kilonovas gefunden werden, da es immer mehr Möglichkeiten gibt, mit Weltraum- und Bodenteleskopen komplementär arbeiten zu können, um Veränderungen im Universum zu untersuchen.

„ Webb liefert einen phänomenalen Schub und kann sogar noch schwerere Elemente finden “, sagte Ben Gompertz, Mitautor der Studie an der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich. „ Je häufiger wir Beobachtungen erhalten, desto besser werden die Modelle und das Spektrum kann sich mit der Zeit weiterentwickeln.“ Webb hat sicherlich die Tür zu noch viel mehr geöffnet, und seine Fähigkeiten werden unser Verständnis des Universums völlig verändern .“

Diese Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht .

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