GW170817: Als Gravitationswellen mit einem Gammastrahlenausbruch einhergingen

Gravitationswellen sind Schwankungen der Raumzeit, die durch heftige kosmische Ereignisse entstehen. Bei GW170817 registrierten die bodengebundenen LIGO-Detektoren in den USA und Virgo in Italien ein Signal, das mit der Verschmelzung zweier Neutronensterne verbunden wurde. Auch der Satellit Fermi und das Weltraumobservatorium INTEGRAL zeichneten einen kurzen Gammastrahlenausbruch auf, der als GRB 170817A bezeichnet wird. Damit wurde erstmals eine Verbindung zwischen Gravitationswellen und hochenergetischem Licht aus derselben kosmischen Quelle beobachtet.

Die Entdeckung löste Nachbeobachtungen mit Teleskopen am Boden und im Weltraum aus. Etwa einen halben Tag später fanden optische Observatorien nahe dem Zentrum der Galaxie NGC 4993 eine neue Quelle. Weitere Beobachtungen entdeckten Signale in anderen Bereichen des Spektrums: im Ultravioletten, sichtbaren und infraroten Licht sowie später in Röntgenstrahlung und Radiowellen. Das Ereignis ließ sich dadurch anhand ergänzender Beobachtungen untersuchen, statt allein auf das Gravitationswellensignal oder den Gammablitz angewiesen zu sein.

Ein zeitliches Zusammentreffen verschiedener Signale

Ein Beitrag des INTEGRAL-Teams, veröffentlicht am 16. Oktober 2017 in The Astrophysical Journal Letters, berichtet, dass das Instrument SPI-ACS GRB 170817A etwa zwei Sekunden nach dem Ende des Gravitationswellenereignisses registrierte. Der Beitrag nennt für die INTEGRAL-Detektion ein Signal-Rausch-Verhältnis von 4,6. Außerdem berechnet er eine Signifikanz von 3,2 Sigma für die Verbindung zwischen dem INTEGRAL-Signal und GW170817 sowie 4,2 Sigma für die Verbindung zwischen den Fermi-GBM- und INTEGRAL-Detektionen. Die Werte beziehen sich auf unterschiedliche statistische Vergleiche und sind keine austauschbaren Maße einer einzigen Verbindung.

Der Vergleich der Ankunftszeiten der Gammastrahlen bei Fermi und INTEGRAL half, die Position des Ausbruchs einzugrenzen. Dem Beitrag zufolge verringerte die zusätzliche INTEGRAL-Beobachtung Fermis endgültige Lokalisierungsfläche auf dem 90-Prozent-Niveau um den Faktor 1,8. Das Gravitationswellensignal wurde von beiden LIGO-Detektoren und auch von Virgo registriert, dessen Signal schwächer ausfiel. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) beschrieb das durch die Messungen angezeigte Himmelsgebiet als 28 Quadratgrad groß und verortete die Quelle etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernt.

Was INTEGRAL registrierte und welche Grenzen die Messung prägten

INTEGRAL, ausgeschrieben INTernational Gamma-ray Astrophysics Laboratory, ist ein Gamma-Weltraumobservatorium der ESA. Das Team schätzte die Fluenz des Ausbruchs im Bereich von 75 bis 2000 keV auf (1,4 ± 0,4 ± 0,6) × 10⁻⁷ erg cm⁻². Der erste Unsicherheitsterm ist statistisch und wird auf dem 1-Sigma-Konfidenzniveau angegeben; der zweite ist systematisch und entspricht der Unsicherheit des Spektralmodells und der Instrumentenantwort.

Der Beitrag weist darauf hin, dass die Schätzung von Annahmen über Spektralmodelle abhängt, da SPI-ACS keine Energieauflösung besitzt. Er nennt außerdem eine instrumentelle Grenze: Aufgrund der unteren Schwelle konnte SPI-ACS Emission unterhalb von etwa 100 keV nicht beobachten. Das ist relevant, weil GRB 170817A ein vergleichsweise „weicher“ Ausbruch war, dessen Energie größtenteils unterhalb dieser Schwelle lag. Der Beitrag erwähnt auch einen kurzen, härteren Anfangsimpuls mit Emission mindestens bis 200 keV. Die SPI-ACS-Messung muss daher vor dem Hintergrund sowohl des beobachtbaren Bereichs als auch der für die Fluenzschätzung verwendeten Annahmen betrachtet werden.

Nach der ersten Detektion beobachtete INTEGRAL das Gebiet weiter und führte gezielte Nachbeobachtungen durch. Diese begannen 19,5 Stunden nach dem Ereignis und dauerten 5,4 Tage. Der Beitrag nennt eine obere Grenze für elektromagnetische Signale in einem breiten Bereich von 3 keV bis 8 MeV und beschränkt den Fluss eines möglichen weichen Gammastrahlen-Nachleuchtens auf ein Wahrscheinlichkeitsniveau von 99 Prozent. Für diese Berechnung nutzten die Autoren eine auf früheren Arbeiten beruhende Verteilung der Ausbruchsdauern. Das Team berichtet außerdem, dass die beschriebenen Nachbeobachtungen weder weitere anhaltende Emission noch andere Ausbrüche aus Richtung der optischen Gegenquelle registrierten.

NGC 4993 und spätere Beobachtungen

Nach Angaben der ESA lag die optische Quelle nahe dem Zentrum von NGC 4993 in einer Entfernung, die mit der von LIGO und Virgo angegebenen übereinstimmte. Spätere Beobachtungskampagnen fanden Signale im Ultravioletten, sichtbaren und infraroten Licht sowie anschließend in Röntgenstrahlung und Radiowellen. Jeder Wellenlängenbereich trug einen eigenen Teil zur Beobachtungsgeschichte des Ereignisses bei.

Die ESA beschreibt das Phänomen als Kilonova: Neutronenreiches Material, das bei der Verschmelzung ausgestoßen wird, wechselwirkt mit seiner Umgebung; dabei entstehen schwere Elemente. Die Agentur stellt diese Erklärung in den Zusammenhang der Nachbeobachtungen in verschiedenen Wellenlängenbereichen und des Gravitationswellensignals. Sie leitet sich nicht allein aus der Gammastrahlenmessung von INTEGRAL ab.

Die Agentur merkt außerdem an, dass dieser Ausbruch unter den kurzen Ausbrüchen mit gemessener Entfernung der nächstgelegene und der lichtschwächste war. Als mögliche Erklärung seiner Eigenschaften schlägt die ESA vor, dass die bei der Kollision entstandenen Jets nicht direkt auf die Erde gerichtet waren. Das ist eine Interpretation der Beobachtungen und keine direkte Messung der Jet-Ausrichtung.

Warum die Observatorien zusammenarbeiteten

Vor GW170817 waren die im ESA-Bericht beschriebenen bestätigten Gravitationswellendetektionen verschmelzenden Schwarzen-Loch-Paaren zugeschrieben worden. Die Agentur erklärt, dass auch andere kosmische Kollisionen, darunter solche mit Neutronensternen, Gravitationswellen und Licht in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums erzeugen können. GW170817 lieferte die erste beobachtete Verbindung von Gravitationswellen und hochenergetischem Licht aus derselben Quelle.

Die Instrumente steuerten unterschiedliche Beobachtungen bei: LIGO und Virgo registrierten die Gravitationswellen; Fermi entdeckte GRB 170817A, und SPI-ACS an Bord von INTEGRAL zeichnete ein zeitlich passendes Gammasignal auf. Der Vergleich der Ankunftszeiten bei den Satelliten trug dazu bei, Fermis Lokalisierung zu verbessern. Optische Observatorien identifizierten anschließend die Quelle in NGC 4993, und die Kampagne verfolgte ihre Entwicklung in weiteren Wellenlängenbereichen. Der Ablauf zeigt den Wert kombinierter Messungen, ohne die Beiträge der einzelnen Instrumente gleichzusetzen.

Ergebnisse und Grenzen der Belege

Die gemeinsame Interpretation verbindet GW170817, GRB 170817A und die optische Quelle in NGC 4993 mit der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Der INTEGRAL-Beitrag berichtet von der Detektion des Ausbruchs, der verbesserten Fermi-Lokalisierung durch Hinzunahme der Satellitenbeobachtung und den während der Nachbeobachtung ermittelten Grenzen. Der ESA-Bericht liefert den Kontext der späteren Beobachtungen und beschreibt die Interpretation als Kilonova.

Die Zahlen müssen danach unterschieden werden, was sie messen. Das Signal-Rausch-Verhältnis von 4,6 charakterisiert die INTEGRAL-Detektion; die Signifikanzen von 3,2 und 4,2 Sigma beziehen sich auf unterschiedliche statistische Verbindungen. Die geschätzte Fluenz weist statistische und systematische Unsicherheiten auf, und SPI-ACS’ Empfindlichkeit im unteren Energiebereich deckte Emission unterhalb von etwa 100 keV nicht ab. Die Grenze für ein mögliches Nachleuchten hängt wiederum von den Annahmen zur Ausbruchsdauer ab. Die vorgeschlagene Jet-Ausrichtung ist eine Erklärung, keine direkte Beobachtung.

GW170817 brachte Gravitations- und elektromagnetische Signale, die demselben Ereignis zugeordnet wurden, in einen gemeinsamen Beobachtungszusammenhang. INTEGRAL ergänzte die Gammastrahlenbeobachtung und half, die Position einzugrenzen; spätere Beobachtungen von NGC 4993 erweiterten die Untersuchung. Schlussfolgerungen zum Signal müssen im Licht der instrumentellen Grenzen und der ausdrücklich genannten Unsicherheiten gelesen werden.