Ein besseres Verständnis der inneren Vorgänge von Neutronensternen wird zu einem besseren Verständnis der Dynamiken führen, die dem Funktionieren des Universums zugrunde liegen, und könnte auch dazu beitragen, zukünftige Technologien voranzutreiben, sagte der Physikprofessor Nicolas Yunes von der University of Illinois Urbana-Champaign. Eine neue von Yunes geleitete Studie beschreibt im Detail, wie neue Erkenntnisse über die dissipativen Gezeitenkräfte in Doppel- oder Binärsystemen mit Neutronensternen unser Verständnis des Universums verbessern werden.
„Neutronensterne sind die kollabierten Kerne von Sternen und die dichtesten stabilen materiellen Objekte im Universum. Sie sind viel dichter und kälter als die Bedingungen, die Teilchenbeschleuniger überhaupt erzeugen können“, sagte Yunes, der auch Gründungsdirektor des Illinois Center for Advanced Studies of the Universe ist. „Die bloße Existenz von Neutronensternen sagt uns, dass es unsichtbare Eigenschaften im Zusammenhang mit Astrophysik, Gravitationsphysik und Kernphysik gibt, die eine entscheidende Rolle im Innenleben unseres Universums spielen.“
Viele dieser bislang unbekannten Eigenschaften wurden jedoch erst mit der Entdeckung der Gravitationswellen beobachtbar.
„Die Eigenschaften von Neutronensternen prägen die Gravitationswellen, die sie aussenden. Diese Wellen reisen dann Millionen von Lichtjahren durch den Weltraum zu Detektoren auf der Erde, wie dem fortschrittlichen European Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory und der Virgo Collaboration“, sagte Yunes. „Indem wir die Wellen erkennen und analysieren, können wir auf die Eigenschaften von Neutronensternen schließen und etwas über ihre innere Zusammensetzung und die Physik in ihren extremen Umgebungen erfahren.“
Als Gravitationsphysiker war Yunes daran interessiert herauszufinden, wie Gravitationswellen Informationen über die Gezeitenkräfte kodieren, die die Form von Neutronensternen verzerren und ihre Umlaufbewegung beeinflussen. Diese Informationen könnten Physikern auch mehr über die dynamischen Materialeigenschaften der Sterne verraten, wie etwa innere Reibung oder Viskosität, „was uns Einblicke in physikalische Prozesse außerhalb des Gleichgewichts geben könnte, die zu einer Nettoübertragung von Energie in ein System oder aus einem System heraus führen“, sagte Yunes.
Mithilfe von Daten des Gravitationswellenereignisses GW170817 konnten Yunes und die Illinois-Forscher Justin Ripley, Abhishek Hegade und Rohit Chandramouli mithilfe von Computersimulationen, analytischen Modellen und ausgefeilten Datenanalysealgorithmen nachweisen, dass aus dem Gleichgewicht geratene Gezeitenkräfte in binären Neutronensternsystemen über Gravitationswellen nachweisbar sind. Das Ereignis GW170817 war nicht laut genug, um eine direkte Messung der Viskosität zu ermöglichen, doch Yunes‘ Team konnte die ersten Beobachtungsgrenzen dafür festlegen, wie groß die Viskosität in Neutronensternen sein kann.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Naturastronomie.
„Dies ist ein wichtiger Fortschritt, insbesondere für ICASU und die Universität von Illinois“, sagte Yunes. „In den 70er, 80er und 90er Jahren war Illinois Vorreiter bei vielen der führenden Theorien der Kernphysik, insbesondere jener, die mit Neutronensternen zusammenhängen. Dieses Erbe kann mit dem Zugang zu Daten der fortschrittlichen LIGO- und Virgo-Detektoren, den durch ICASU ermöglichten Kooperationen und der jahrzehntelangen Kernphysik-Expertise, die hier bereits vorhanden ist, fortgeführt werden.“
Weitere Informationen:
Justin L. Ripley et al, Eine Einschränkung der dissipativen Gezeitenverformbarkeit von Neutronensternen, Naturastronomie (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02323-7