Neutronensterne sind die Endprodukte massereicher Sterne und vereinen einen großen Teil der ursprünglichen Sternmasse in einem superdichten Stern mit einem Durchmesser von nur rund zehn Kilometern. Am 17. August 2017 beobachteten Forscher erstmals die vielfältigen Signaturen einer explosiven Verschmelzung zweier umlaufender Neutronensterne: Gravitationswellen und gewaltige Strahlungsausbrüche, darunter ein Gammastrahlenausbruch.
Ein internationales Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, um diese beobachtbaren Signale einer Kilonova gleichzeitig zu modellieren. Dadurch können sie genau beschreiben, was bei einer Fusion genau passiert, wie sich Kernmaterie unter extremen Bedingungen verhält und warum bei solchen Ereignissen das Gold auf der Erde entstanden sein muss.
Mit einem neuen Softwaretool hat ein Team unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und der Universität Potsdam die verschiedenen Arten astrophysikalischer Daten einer Kilonova gleichzeitig interpretiert.
Darüber hinaus können Daten aus Radio- und Röntgenbeobachtungen anderer Neutronensterne, kernphysikalische Berechnungen und sogar Daten aus Schwerionen-Kollisionsexperimenten an erdgebundenen Beschleunigern genutzt werden. Bisher wurden die verschiedenen Datenquellen getrennt analysiert und die Daten teilweise mit unterschiedlichen physikalischen Modellen interpretiert.
„Indem wir die Daten kohärent und gleichzeitig analysieren, erhalten wir präzisere Ergebnisse“, sagt Peter TH Pang, Wissenschaftler an der Universität Utrecht.
„Unsere neue Methode wird helfen, die Eigenschaften von Materie bei extremer Dichte zu analysieren. Sie wird uns auch ermöglichen, die Ausdehnung des Universums besser zu verstehen und zu verstehen, in welchem Ausmaß schwere Elemente bei der Verschmelzung von Neutronensternen entstehen“, erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik.
Extreme Bedingungen in einem kosmischen Labor
Ein Neutronenstern ist ein superdichtes astrophysikalisches Objekt, das am Ende des Lebens eines massereichen Sterns durch eine Supernova-Explosion entsteht. Wie andere kompakte Objekte umkreisen einige Neutronensterne einander in binären Systemen. Sie verlieren Energie durch die ständige Emission von Gravitationswellen – winzige Wellen im Raum-Zeit-Gefüge – und kollidieren schließlich.
Solche Fusionen ermöglichen es Forschern, physikalische Prinzipien unter den extremsten Bedingungen im Universum zu untersuchen. Beispielsweise führen die Bedingungen dieser hochenergetischen Kollisionen zur Bildung schwerer Elemente wie Gold. Tatsächlich sind verschmelzende Neutronensterne einzigartige Objekte für die Untersuchung der Eigenschaften von Materie bei Dichten, die weit über denen von Atomkernen liegen.
Die neue Methode wurde bei der bislang ersten und einzigen Multi-Messenger-Beobachtung von Verschmelzungen binärer Neutronensterne angewendet. Bei diesem am 17. August 2017 entdeckten Ereignis hatten die letzten paar tausend Umlaufbahnen der Sterne umeinander die Raumzeit ausreichend verzerrt, um Gravitationswellen zu erzeugen, die von den terrestrischen Gravitationswellenobservatorien Advanced LIGO und Advanced Virgo entdeckt wurden. Bei der Verschmelzung der beiden Sterne wurden neu gebildete schwere Elemente herausgeschleudert.
Einige dieser Elemente zerfielen radioaktiv, was zu einem Temperaturanstieg führte. Ausgelöst durch diese Wärmestrahlung wurde bis zu zwei Wochen nach der Kollision ein optisches, infrarotes und ultraviolettes Signal registriert. Ein Gammastrahlenausbruch, ebenfalls verursacht durch die Neutronensternverschmelzung, schleuderte zusätzliches Material aus. Die Reaktion der Materie des Neutronensterns mit dem umgebenden Medium erzeugte Röntgenstrahlen und Radioemissionen, die auf Zeitskalen von Tagen bis Jahren überwacht werden konnten.
Simulation der Neutronensternkoaleszenz GW170817. Bildnachweis: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
Genauere Ergebnisse für zukünftige Erkennungen
Die Gravitationswellendetektoren befinden sich derzeit im vierten Beobachtungslauf. Die nächste Entdeckung einer Neutronensternverschmelzung könnte jeden Tag erfolgen, und die Forscher warten sehnsüchtig darauf, das von ihnen entwickelte Werkzeug einzusetzen.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Peter TH Pang et al., Ein aktualisiertes Kernphysik- und Multi-Messenger-Astrophysik-Framework für die Verschmelzung binärer Neutronensterne, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43932-6