Die Forschung an Neutronensternsystemen könnte uns viel Neues über das Universum verraten. Diese Objekte in weiter Ferne zu finden und Daten über sie zu gewinnen, ist jedoch eine echte Herausforderung. Dafür hat ein EU-finanziertes Projekt bahnbrechende Modelle auf Foundation von Gravitationswellen entwickelt, die einem Forscher einen renommierten Preis eingebracht haben.


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Das Projekt BNSmergers suchte nach Antworten auf einige grundlegende Fragen der modernen Astrophysik und hat sich dabei auf die innere Zusammensetzung von Neutronensternen konzentriert. Neutronensterne sind die kompaktesten Objekte in unserem Universum, was bedeutet, dass in ihnen gewaltige Massen innerhalb eines sehr kleinen Volumens konzentriert sind.

„Die Dichte im Kern eines Neutronensterns erreicht unglaubliche 100 Millionen Tonnen professional Kubikzentimeter“, erklärt Projektkoordinator Chris Van Den Brock vom Nationalen Institut für subatomare Physik (Nikhef) in den Niederlanden. „Das lässt sie als ideale ‚Laboratorien‘ für Umgebungen mit Materie in extremen Zuständen erscheinen. Ganz besonders gilt das, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen und sich ein Doppelneutronensternsystem bildet. Denn dabei entstehen noch höhere Dichten als im Inneren eines einzelnen Sterns.“

Um diese Doppelneutronensternsysteme untersuchen zu können, muss sie die Astrophysik jedoch erst einmal finden. Die Gravitationswellenastronomie, bei der, wie es der Identify schon sagt, anhand von Gravitationswellen Daten über weit entfernte Objekte gesammelt werden, bietet der Astrophysik die Likelihood, wie nie zuvor Doppelneutronensternsysteme entdecken und beobachten zu können.

„Diese Arbeit setzt ein detailliertes Verständnis der Verschmelzungsprozesse voraus“, wie Van Den Brock erläutert. „Normalerweise sind dazu hochentwickelte theoretische Modelle erforderlich, welche die Gravitationswellen- und elektromagnetischen Signale beschreiben, die während und nach der Verschmelzung freigesetzt werden. Hauptziel von BNSmergers war die Entwicklung derartiger Modelle für typische Doppelneutronensterne.“

Analyse der Gravitationswellen

Das mit Unterstützung der EU-finanzierten Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführte Projekt baute auf jüngsten Entdeckungen auf, welche die Astronomie verändert haben. Erst 2015 gelang der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen infolge der Kollision zweier Schwarzer Löcher, während 2017 erstmals gleichzeitig Gravitationswellen und elektromagnetische Wellen bei einer Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachtet werden konnten.

„Die Modellierung hochdichter Materie gehört jedoch immer noch zu den schwierigsten Problemen der theoretischen Physik“, ergänzt Tim Dietrich, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat am Nikhef in den Niederlanden. „Selbst eine einzige Simulation kann wochen- oder sogar monatelang auf einem Supercomputer laufen.“

Zur Lösung dieses Troubles entwickelten Dietrich und sein Team einen neuen analytischen Rahmen, der auf hunderten gesammelten Rechensimulationen beruht. Damit können die Astrophysikteams nun viel schneller als mit den bereits existierenden numerisch-relativistischen Simulationen arbeiten. „Die Näherung erfolgt außerdem ausreichend genau, um direkt zur Analyse von Gravitationswellensignalen eingesetzt zu werden“, berichtet Dietrich.

Mit Datenbanken zu den Sternen

Anhand dieser Ergebnisse könnte die Astrophysik einige Geheimnisse des Universums enträtseln. „Wir konnten die vorhandenen Gravitationswellenmodelle verbessern, die der Beschreibung der elektromagnetischen Signale bei der Verschmelzung von binären Neutronensternen dienen“, erklärt Dietrich.

„Das hat uns neue Informationen über die Eigenschaften von Neutronensternen, den Zustand der Materie in ihnen und sogar über die Expansionsrate des Universums verschafft. Mit diesen Modellen ergibt sich außerdem die Likelihood, exotischere kompakte Objekte wie zum Beispiel nur aus dunkler Materie bestehende Sterne erforschen zu können. Da diese Szenarien generell eher spekulativ sind, muss in theoretische Forschung investiert werden, um ihre Existenz auszuschließen oder zu bestätigen.“

Für seine Arbeit am Projekt BNSmergers erhielt Dietrich kürzlich den renommierten Heinz-Billing-Preis zur Förderung des wissenschaftlichen Rechnens. Die Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland vergibt diesen Preis alle zwei Jahre für herausragende Beiträge in der computergestützten Physik. „Die Tatsache, dass ich den Heinz-Billing-Preis zur Förderung des wissenschaftlichen Rechnens für meine numerisch-relativistische Arbeit erhalten habe, ist ein weiterer Beweis für die zunehmende Bedeutung der Gravitationswellenastronomie“, schätzt Dietrich ein.

Auch die erste Gravitationswellendatenbank für Doppelneutronensternsysteme war ein Ergebnis des Projekts. Die im Rahmen des Projekts realisierten Simulationen wurden zusammen mit den vor Projektbeginn durchgeführten Simulationen öffentlich zur Verfügung gestellt. Zahlreiche Forschende haben bereits auf diese Ressource zugegriffen, um ihre Forschungsarbeiten über Neutronensterne zu unterstützen. „Wir hoffen, dass auf diese Weise die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft von unserer wissenschaftlichen Arbeit der letzten Jahre profitieren kann“, schließt Van Den Brock.