Wissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt haben eine neue Methode zur Untersuchung des Inneren von Neutronensternen entwickelt. Diese Methode basiert auf der Analyse von Gravitationswellen, die während Kollisionen von Neutronensternen entstehen. In einer aktuellen Veröffentlichung in Nature Communications berichten die Forscher von einer bemerkenswerten Korrelation zwischen den Eigenschaften des Gravitationswellensignals und der Zustandsgleichung der Neutronensternmaterie. Das Interesse an Neutronensternen, die aufgrund ihrer hohen Masse und geringen Größe faszinierende astrophysikalische Objekte darstellen, wächst stetig.
Die Kollision zweier Neutronensterne bietet eine einmalige Möglichkeit, deren Zusammensetzung und Struktur zu erforschen. Während der Annäherung und Verschmelzung dieser Sterne entstehen Gravitationswellen, die Informationen über die dichten Regionen in ihren Kernen mit sich bringen. Bei diesen Ereignissen tritt die intensivste Strahlung während und in den ersten Millisekunden nach der Verschmelzung auf, und das resultierende Objekt verursacht Gravitationswellen in einem starken, schmalen Frequenzbereich. Diese Frequenzen können sogar in hörbare Töne übersetzt werden, die einem harmonischen Orchestersound ähneln. Beispielsweise klingt das Zirpen verschmelzender Neutronensterne in Audioanalysen leise und tief, bevor es höher und lauter wird, was den Verlauf der Frequenzsteigerung verdeutlicht.
Fortschritte in der Forschung
Das Gravitationswellensignal lässt sich weitergehend interpretieren: Die Amplitude dieses Signals nimmt nach der Verschmelzung ab, wird jedoch reiner, und die Phase des „langen Abklingens“ (long ringdown) reflektiert enge Verbindungen zu den dichtesten Regionen in Neutronensternkernen. Diese Entdeckung könnte präzise Einschränkungen für den Zustand der Materie in Neutronensternen liefern. Wissenschaftler sind optimistisch, dass Gravitationswellendetektoren in der Lage sein werden, das signaltechnisch erfasste „lange Abklingen“ in naher Zukunft klar zu messen – insbesondere mit dem geplanten Einstein-Teleskop in Europa, das in den nächsten zehn Jahren realisiert werden soll.
Die Nutzung der Allgemeinen Relativitätstheorie in den Simulationen hat dazu beigetragen, Unsicherheiten bei der Beschreibung von Materie unter extremen Dichten zu verringern. Solche Fortschritte in der statistischen Modellierung zeigen, wie eng theoretische Ansätze und computergestützte Methoden zusammenarbeiten, um grundlegende Fragen zur Natur der hochdichten Kernmaterie innerhalb von Neutronensternen zu beantworten.
Multi-Messenger-Astrophysik
Die Untersuchung der Neutronensternverschmelzungen spielt auch eine zentrale Rolle in der Multi-Messenger-Astrophysik. Diese Disziplin analysiert die Gravitationswellen und die dazugehörenden elektromagnetischen Signale gemeinsam, um ein umfassenderes Bild dieser kosmischen Ereignisse zu erhalten. Am 17. August 2017 wurde dieses Konzept erstmals erfolgreich angewandt, als durch die LIGO-Observatorien Gravitationswellen von der Verschmelzung zweier Neutronensterne nachgewiesen wurden. Damit verbunden waren auch beobachtbare elektromagnetische Signale, die den Forscher:innen neue Einblicke in die beteiligte Physik und die Dynamik bei solchen Kollisionen eröffneten.
Neutronenstern-Verschmelzungen sind bedeutende Objekte, die nicht nur starke Raum-Zeit-Verzerrungen hervorrufen, sondern auch zur Synthese schwerer Elemente wie Gold und Uran beitragen. Durch die Ejekta, die während der Verschmelzung in den interstellaren Raum geschleudert werden, entsteht eine neutronenreiche Umgebung für die schnelle Nukleosynthese.
Die enormen Herausforderungen, die mit dem Nachweis von Gravitationswellen und den damit verbundenen Forschungsarbeiten verbunden sind, erfordern präzise theoretische Modelle. Dabei wird auch die numerische Relativitätstheorie herangezogen, um ein besseres Verständnis der Ereignisse rund um die Neutronenstern-Verschmelzungen zu gewinnen.
Die Entwicklung dieser Forschungsmethoden verspricht nicht nur neue Erkenntnisse über die inneren Strukturen von Neutronensternen, sondern könnte auch fundamentale Fragen der Physik beantworten, die die Grenzen unseres derzeitigen Wissens herausfordern. Wissenschaftler in Frankfurt und an anderen Institutionen setzen deshalb weiterhin auf innovative Ansätze zur Analyse dieser faszinierenden astrophysikalischen Objekte.
Für weitere Details zu den Entwicklungen in der Neutronensternforschung, empfehlen sich die folgenden Links: Goethe-Universität Frankfurt, Einstein Online über Zirpen Neutronensterne, und Einstein Online zur Multi-Messenger-Astrophysik.