Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Die Gravitationswellen entstehen zum Beispiel, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren. Im zukünftigen Gravitationswellendetektor, dem Einstein-Teleskop, wird dafür die neueste Lasertechnologie genutzt werden.

Wie das Universum Gold macht
Im Sommer 2017 gab es für Astronomen einen extrem aufregenden Tag: Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Sofort wurden hunderte Teleskope auf der ganzen Welt auf den vermuteten Ursprungsort ausgerichtet und tatsächlich sah man dort einen aufleuchtenden Himmelskörper. Zum ersten Mal war es gelungen, die Kollision von zwei Neutronensternen sowohl als Gravitationswelle als auch optisch zu erfassen.

Neutronensterne sind etwas ganz Besonderes im Universum: Sie sind ausgebrannte Sterne, die schon lange nicht mehr leuchten. Sie wiegen etwas mehr als unsere Sonne, quetschen ihre Masse aber in eine Kugel von weniger als 20 km Durchmesser. Die Wucht bei ihrem Zusammenstoß ist so groß, dass Atomkerne zerrissen werden. Gigantische Mengen von Massen werden ausgestoßen und schwere Atome wie Gold können entstehen.

»Im Vergleich zur Masse der Neutronensterne ist es nicht viel Gold, das da entsteht – nur ein paar Mondmassen«, erklärt schmunzelnd Professor Achim Stahl, ein Astrophysiker von der RWTH Aachen University. »Aber die Forschung ist sich ziemlich sicher, dass das meiste Gold im Universum bei solchen gigantischen Explosionen entstanden ist.« Der goldene Ring, den wir am Finger tragen, hat also schon galaktische Geschichte erlebt.

Gravitationswellendetektoren eröffnen ein neues Kapitel in der Astronomie
Dank der Gravitationswellendetektoren wissen wir schon jetzt mehr über die Kollisionen von Neutronensternen. Für galaktische Verhältnisse sind das sehr schnelle Prozesse. Früher hat man mit viel Glück einen Gammablitz von weniger als einer Sekunde registriert. Wenn schwarze Löcher kollidieren, ist das mit den aktuellen Gravitationswellendetektoren messbare Signal sehr kurz. Etwas mehr als 0,2 Sekunden lang war das Signal der ersten Gravitationswelle, die 2015 gemessen wurde. Solche Wellen entstehen, wenn ultraschwere Objekte im Universum umeinanderkreisen und dann kollidieren.

Das im Sommer 2017 detektierte Signal war 100 Sekunden lang, womit sofort klar war, dass das etwas Neues sein musste. Kurz nach dem Ende des Gravitationssignals konnte der Gammablitz aufgezeichnet werden, später wurde das Nachglühen der Explosion in verschiedenen Wellenlängenbereichen beobachtet und Spuren schwerer Elemente wie Gold und Platin nachgewiesen. Das Ereignis wurde als Kollision zweier Neutronensterne identifiziert. Mit der gleichzeitigen Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen wurde ein neues Kapitel in der beobachtenden Astronomie begonnen. »Tatsächlich war das optische Signal entscheidend, um den Stern am Himmel zu finden«, erklärt der Astrophysiker Stahl den Vorteil.

Unsere »Ohren« zum Universum
Über Jahrhunderte hat sich die Astronomie auf Beobachtungen von sichtbarer Strahlung beschränkt. Mit dem besseren Verständnis des elektromagnetischen Spektrums kamen viele neue Beobachtungsmethoden hinzu, Radiowellen wurden aufgezeichnet und über Berechnungen und Simulationen wurde das Wissen der Menschheit deutlich erweitert.

Als Albert Einstein vor gut hundert Jahren seine allgemeine Relativitätstheorie postulierte, entstand auch der Gedanke, dass es Wellen geben könnte, die nichts mit dem elektromagnetischen Spektrum zu tun haben. Ähnlich wie eine Schallwelle sollten sie einen Probekörper in großem Abstand noch etwas »wackeln« lassen. Große beschleunigte Massen sollten solche Wellen durch den Raum schicken. Auf der Erde ist das Wackeln, das die Gravitationswellen verursachen, allerdings so schwach, dass die Bewegung wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Atoms ist. Inzwischen ist es tatsächlich gelungen, Gravitationswellen zu messen. Für Astronomen ist das ein neues Zeitalter.

Möglich wird das durch sogenannte Laserinterferometer. Sie bestehen aus zwei Armen mit Spiegeln an den Enden. Ein Laserstrahl kommt in das Interferometer und wird an einem Strahlteiler in der Mitte geteilt. Er läuft zu den Endspiegeln in den zwei Armen und wieder zurück zum Strahlteiler. Ändert sich die Position des Spiegels am Ende eines Arms, variiert die Laufzeit des jeweiligen Laserstrahls um einen winzigen Betrag. Dieser Betrag lässt sich messen, indem man den Laserstrahl vom betroffenen Spiegel mit einem Laserstrahl aus dem anderen Interferometerarm vergleicht, bei dem der Spiegel nicht bewegt wurde.

Die Präzision dieser Messung in den aktuellen Gravitationswellendetektoren ist auch für Physiker immer wieder erstaunlich: »Wir messen auf weniger als einem Zweitausendstel Protonendurchmesser genau«, erklärt Professor Stahl. Zu Erinnerung: Protonen sind die Bestandteile von Atomkernen. »Es ist schon ironisch, dass wir für den Nachweis der größten Ereignisse im Universum, der Vereinigung von schwarzen Löchern, eine Präzision brauchen, die sich an den kleinsten uns bekannten Teilchen misst«, ergänzt er nachdenklich.

Erste Versuche, Gravitationswellen zu messen, gab es schon in den 1960er Jahren. Aber erst die aktuelle zweite Generation von Laser-Messgeräten schafft die extreme Genauigkeit und hat inzwischen etwa 100 Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen detektiert.

Das Einstein-Teleskop
Professor Stahl gehört der deutschen Einstein-Teleskop-Community an und arbeitet derzeit an der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren. Messgeräte dieser dritten Generation sollen noch zehn Mal empfindlicher sein als die derzeit genutzten. Nach dem Begründer der allgemeinen Relativitätstheorie wurde das geplante Gravitationswellenobservatorium »Einstein-Teleskop« genannt. »Wir wollen damit einen tausendfach größeren Bereich des Universums auf Gravitationswellen untersuchen. Und wir sollten dann erheblich mehr Quellen finden, für die die aktuellen Instrumente nicht empfindlich genug sind«, erklärt der Astrophysiker. Das betrifft dann auch noch schwerere Objekte, die Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen abstrahlen.

Das Einstein-Teleskop soll aus drei ineinander verschachtelten Detektoren bestehen. Zu jedem dieser Detektoren gehören zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen. Damit möglichst viele Störungen abgeschirmt werden, soll das Observatorium 250 m unter der Erde gebaut werden.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler denken aber schon viel weiter: »Das Einstein-Teleskop wird zusammen mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum arbeiten, die den Bereich von Radio- bis zu Gammastrahlen abdecken. Wir nennen das Multimessenger-Astronomie«, beschreibt Professor Stahl die Vision. »Neben den ›Ohren‹ für die Gravitationswellen haben wir dann auch ›Augen‹, die ganz verschiedene Signale erfassen. Zusammen liefern diese dann eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, wie sie noch niemand je gesehen hat.«

Bislang konnte man auf gut Glück den Himmel beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Die Gravitationswellendetektoren laufen in Zukunft ständig und »hören«, wenn ein Signal erscheint. Wenn mehrere solche Detektoren das Signal erfassen, kann seine Ursprungsregion berechnet und andere optische Teleskope darauf ausgerichtet werden. So wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017 sind dann mehrere systematische Messungen möglich. Die Wissenschaft verspricht sich davon viele neue Erkenntnisse, zum Beispiel über das frühe Universum oder über solche Kollisionen, in denen alle Elemente gebildet wurden, die schwerer sind als Eisen.

Detektoren in Europa und der ganzen Welt
So komplexe Messungen setzen eine globale Zusammenarbeit voraus. Dementsprechend wird auch in den USA ein Detektorkonzept der dritten Generation entwickelt: Der »Cosmic Explorer« wird mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetz bilden. Die Europäer haben das Einstein-Teleskop 2021 in die Roadmap des European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) aufgenommen. ESFRI wurde 2002 gegründet, damit nationale Regierungen, die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Europäische Kommission gemeinsam ein Konzept für Forschungsinfrastrukturen in Europa entwickeln und unterstützen können.

Mit der Aufnahme in die ESFRI Roadmap ist das Einstein-Teleskop in die Vorbereitungsphase eingetreten. Das Budget wurde auf 1,8 Milliarden Euro geschätzt. Etwa 40 Millionen Euro soll der Betrieb pro Jahr kosten. Der Baubeginn ist für 2026 geplant, die Beobachtungen sollen 2035 beginnen.

Gegenwärtig laufen Studien, um eine Standortauswahl zu treffen. Eine Entscheidung wird für 2024 erwartet. Zwei mögliche Standorte werden derzeit untersucht: einer auf Sardinien und einer in der Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck Deutschland-Belgien-Niederlande. Bei der Bewertung der Standorte müssen die Durchführbarkeit des Baus berücksichtigt und die Auswirkungen der örtlichen Umgebung auf die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors vorhergesagt werden.

Für die betreffende Region verspricht das Projekt einige Vorteile: Ein Großteil der Kosten von 1,8 Milliarden geht in Baumaßnahmen. Drei mal zehn km Tunnel und zwölf mal zehn km Vakuumrohre werden gebraucht, um nur zwei Beispiele zu nennen. Schon jetzt ist eine Vielzahl an Firmen an dem Projekt beteiligt.

An der eigentlichen Messapparatur arbeitet bereits ein großes Team an verschiedenen Standorten. Neben der RWTH Aachen University betrifft das in Aachen auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Dort entwickelt man derzeit neue Laser, ohne die die neuen Messungen nicht machbar wären. »Was wir hier für den potenziellen Einsatz im Einstein-Teleskop entwickeln, ist in dieser Ausführung einzigartig und ausschließlich zur Messung von Gravitationswellen gedacht«, bestätigt Dr. Patrick Baer vom Fraunhofer ILT, der als Research Unit Leiter in der Einstein-Teleskop Community Forschungsgruppen der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT sowie der Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen University vertritt. »In einer vereinfachten Ausführung kann die für diesen Einsatzbereich entwickelte Lasertechnologie allerdings auch für andere Anwendungen z.B. in der Quantentechnologie interessant sein. Aber auch für die Entwicklung von Lasern in der Medizintechnik kann das erlangte Wissen hilfreich sein: die Wellenlänge von 2 µm ist beispielsweise für das Zertrümmern von Nieren- und Blasensteinen geeignet.« Letztlich ist es das, was das Fraunhofer ILT seit seiner Gründung macht: High-end-Laser aus der Forschung für Anwendungen in der Industrie fit machen.

Aktuell ist die Finanzierung noch nicht vollständig gesichert. In den nächsten zwei Jahren erwartet Professor Stahl eine endgültige Entscheidung. Dann kommen die Planer, die Tunnelbauer und am Ende die Laserphysiker. »Ich schätze, dass wir 2035 die ersten Messungen vornehmen können.«

Was fasziniert einen Forscher wie Achim Stahl? »Mit Gravitationswellen können wir sehr viel weiter hinausblicken als mit normalen Teleskopen« erklärt der Astrophysiker. »Weiter hinausschauen heißt in der Astrophysik vor allem, in der Zeit zurückzuschauen. Mit dem Einstein-Teleskop werden wir Signale aus der Zeit empfangen, wo sich die Galaxien formierten und die ersten Sterne bildeten. Das geht weiter zurück, als es mit optischen Mitteln möglich ist. Und wir werden mit den Gravitationswellen kosmische Explosionen live hören, bevor wir sie sehen.« Die empfindlicheren Detektoren des Einstein-Teleskops werden die Signale früher »hören« und den anderen Teleskopen mehr Zeit lassen, um sich auszurichten. Früher war es eher ein glücklicher Zufall, so ein Ereignis zu sehen. Jetzt sind erstmals systematische Messungen möglich. Da brechen spannende Zeiten an – nicht nur für Astrophysiker.

Die Arbeit wurde zum Teil von Interreg EMR, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), und zum Teil vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen unterstützt.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Universität Potsdam 20. Dezember 2023.

20. Dezember 2023 – Es gelang zum ersten Mal, die abgestrahlten Gravitationswellen, die Kilonova und das Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs der am 17. August 2017 beobachteten Verschmelzung zweier Neutronensterne parallel zu modellieren und zu interpretieren.

Die Studie und die dafür entwickelte Code-Infrastruktur liefern präzise Hinweise auf die Eigenschaften der Kernmaterie und bilden die Grundlage für die Analyse zukünftiger Ereignisse. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Unsere neue Methode wird dabei helfen, die Eigenschaften von Materie bei extremen Dichten zu untersuchen. Außerdem ermöglicht sie ein genaueres Verständnis davon, wie sich das Universum ausdehnt, und von der Art und Weise, wie und in welchem Ausmaß die schweren Elemente bei Neutronensternkollisionen entstehen“, erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Dietrich ist als korrespondierender Autor an der Veröffentlichung beteiligt.

Ein Neutronenstern ist ein extrem dichtes astrophysikalisches Objekt, das am Ende der Lebensdauer massereicher Sterne bei einer Supernova-Explosion entsteht. Ähnlich wie andere kompakte Objekte kreisen einige Neutronensterne in Doppelsternsystemen umeinander. Durch das kontinuierliche Aussenden von Gravitationswellen – kleinen Störungen im Gefüge der Raumzeit – verlieren sie Energie und stoßen schließlich zusammen. Solche Verschmelzungen ermöglichen es den Forschenden, physikalische Prinzipien unter den extremsten Bedingungen im Universum zu untersuchen. So führen die Bedingungen dieser hochenergetischen Kollisionen zur Entstehung schwerer Elemente, wie z. B. Gold. Verschmelzende Neutronensterne sind tatsächlich einzigartige Untersuchungsobjekte, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten zu erforschen, die weit über denen von Atomkernen liegen.

Die neue Methode wurde auf die erste und bisher einzige Beobachtung eines verschmelzenden Doppel-Neutronensternsystems angewandt. Bei dieser am 17. August 2017 entdeckten Verschmelzung hatten die letzten paar tausend Umläufe der Sterne umeinander die Raumzeit so stark verwirbelt, dass Gravitationswellen entstanden, die von den terrestrischen Gravitationswellenobservatorien Advanced LIGO und Advanced Virgo nachgewiesen wurden. Bei der Verschmelzung der beiden Sterne wurden neu gebildete schwere Elemente ausgestoßen. Ein Teil dieser Elemente zerfiel radioaktiv, was zu einem Anstieg der Temperatur führte. Ausgelöst durch diese thermische Strahlung war bis zu zwei Wochen nach der Kollision ein elektromagnetisches Signal im optischen, infraroten und ultravioletten Bereich zu beobachten. Außerdem wurde zusätzliches Material durch einen Gammablitz ausgestoßen, ebenfalls ausgelöst durch die Kollision der Neutronensterne. Durch die Reaktion der Neutronensternmaterie mit dem umgebenden Medium wurden Röntgen- und Radiostrahlen erzeugt, die auf einer Zeitskala von Tagen bis zu Jahren beobachtet werden konnten.

Das neue Tool zur simultanen Auswertung astrophysikalischer Daten aus verschiedenen Quellen ermöglicht es den Forschenden, alle diese Signale gleichzeitig zu interpretieren. Zusätzlich können Informationen aus Radio- und Röntgenbeobachtungen von Neutronensternen (z. B. vom NICER-Teleskop der NASA), kernphysikalische Berechnungen und sogar Daten aus Schwerionenkollisionsexperimenten an erdgebundenen Beschleunigern miteinbezogen werden. „Wir können nun über den bisher üblichen schrittweisen Kombinationsprozess hinausgehen. Indem wir die Daten zusammenhängend und gleichzeitig analysieren, erhalten wir präzisere Ergebnisse“, sagt Peter T. H. Pang, Wissenschaftler an der Universität Utrecht, Erstautor der Publikation und Hauptentwickler des Codes. Um die neue Software in den kommenden Jahren weiterzuentwickeln, wurde Dietrich 2022 mit einem European Research Council (ERC) Starting Grant in Höhe von 1,5 Millionen Euro ausgezeichnet.

Derzeit führen die Gravitationswellen-Detektoren ihren vierten wissenschaftlichen Beobachtungslauf durch. Die nächste Entdeckung einer Verschmelzung von Neutronensternen könnte täglich erfolgen, und die Forschenden stehen in den Startlöchern, das von ihnen entwickelte Werkzeug erneut einsetzen zu können.

Publikation:
Peter T. H. Pang, Tim Dietrich, Michael W. Coughlin et al.,
An updated nuclear-physics and multi-messenger astrophysics framework for binary neutron star mergers,
2023, Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-023-43932-6

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung 20. Februar 2023.

20. Februar 2023 – Die Entdeckung wurde von einem internationalen Team unter Beteiligung von Forschenden des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Kopenhagen gemacht. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Kilonovae sind gigantische Explosionen, die entstehen, wenn zwei Neutronensterne einander umkreisen und schließlich miteinander kollidieren. Die dabei auftretenden extremen physikalischen Bedingungen sind für die Entstehung schwerer Elemente verantwortlich, beispielsweise die Atome im Goldschmuck und das Jod in unseren Körpern. Des Weiteren erzeugen Kilonovae Licht, so dass man diese Explosionen auch noch in kosmischen Entfernungen mit Teleskopen beobachten kann.

Aber es gibt noch viel, was wir über dieses gewaltige Phänomen nicht wissen. Als 2017 in 140 Millionen Lichtjahren Entfernung eine Kilonova entdeckt wurde, konnten zum ersten Mal detaillierte Daten gesammelt werden. Wissenschaftler*innen auf der ganzen Welt sind immer noch dabei, die Daten dieser kolossalen Explosion zu interpretieren, darunter Albert Sneppen und Professor Darach Watson von der Universität Kopenhagen, sowie Privatdozent Andreas Bauswein und Dr. Oliver Just aus der GSI-Forschungsabteilung Theorie.

Eine der offenen Frage betrifft die geometrische Form der Kilonova, also die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen. Dieses Problems hat sich das internationale Forschungsteam rund um Sneppen und Watson angenommen. Die Forschenden haben die Geschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen analysiert: entlang der Sichtlinie – also die Geschwindigkeit des Materials, das sich in Richtung unserer Erde bewegt – und senkrecht dazu.

Entlang der Sichtlinie machen sich die Forschenden den Dopplereffekt zunutze, den man vom herannahenden Feuerwehrauto kennt. Wie sich die Tonhöhe der Sirene mit hoher Geschwindigkeit verändert, so kann man auch aus den Eigenschaften des Lichts der Kilonova-Explosion, genauer aus den sogenannten Spektrallinien, die Geschwindigkeit ablesen. Die Geschwindigkeit senkrecht zur Beobachtungslinie ergibt sich aus der Größe der strahlenden Fläche, die sich aus Helligkeit und Farbe der Kilonova ableiten lässt.

Die Kugelform ist ein Rätsel
Die Überraschung dieser Analyse: Die Explosion breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus. Die Kilonova aus dem Jahr 2017 hat die Form einer Kugel. „Man hat zwei superkompakte Sterne, die sich 100 Mal pro Sekunde umkreisen, bevor sie kollabieren. Unsere Intuition und die meisten der bisherigen Modelle besagen, dass die bei der Kollision entstehende Explosionswolke aufgrund des enormen Drehimpulses im System eine eher asymmetrische Form haben muss“, sagt Albert Sneppen, Doktorand am Niels-Bohr-Institut und Erstautor der in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie. Wie die Kilonova kugelförmig sein kann, ist ein echtes Rätsel.

Das GSI-Team hat insbesondere Simulationen der Explosion zum Test verschiedener Szenarien und theoretische Interpretationen zu der Veröffentlichung beigetragen. Die Forschenden konnten zeigen, dass es selbst unter recht spekulativen Annahmen keinen Mechanismus gibt, der zwangsläufig zu einer sphärischen Explosion führen muss, wenngleich einige Simulationen recht gut zu der Beobachtung passen. „Eine Möglichkeit könnte daher auch sein, dass es sich um eine pure Koinzidenz handelt. Spannend ist die Beobachtung auf alle Fälle, denn sie hilft Modelle der Kilonova-Explosion besser zu verstehen und damit auch Details der Elemententstehung in diesen Ereignissen“, sagt Oliver Just. Andreas Bauswein ergänzt: „Mit Messungen weiterer Neutronensternverschmelzungen wird man dieses Ergebnis sicher besser beurteilen können. Wir erwarten, dass mit neuen, jetzt zur Verfügung stehenden Observatorien in den kommenden Jahren viele weitere Kilonovae entdecken werden.“

Ein neues kosmisches Lineal
Die Form der Explosion ist auch aus einem ganz anderen Grund interessant: „Unter Astrophysiker*innen wird viel darüber diskutiert, wie schnell das Universum expandiert. Die Geschwindigkeit sagt uns unter anderem, wie alt das Universum ist. Und die beiden hauptsächlich benutzten Methoden, die es gibt, um dies zu messen, weichen um etwa eine Milliarde Jahre voneinander ab. Hier haben wir vielleicht eine dritte Methode, die die anderen Messungen ergänzt und mit ihnen verglichen werden kann“, sagt Albert Sneppen.

Die so genannte „kosmische Entfernungsleiter“ ist die Methode, die heute verwendet wird, um zu messen, wie schnell das Universum wächst. Dazu wird der Abstand zwischen verschiedenen Objekten im Universum berechnet, die als Sprossen auf der Leiter fungieren. „Wenn sie hell und meist kugelförmig sind, können wir die Kilonovae als eine neue Möglichkeit nutzen, um die Entfernung unabhängig zu messen – eine neue Art von kosmischem Lineal“, sagt Darach Watson und fährt fort: „Die Kenntnis der Form ist hier entscheidend, denn wenn ein Objekt nicht kugelförmig ist, strahlt es je nach Blickwinkel anders. Eine kugelförmige Explosion ermöglicht eine viel genauere Messung.“

Die Arbeiten sind ein erstes Resultat der neu gegründeten HEAVYMETAL-Kollaboration, die vergangenes Jahr mit einem ERC Synergy Grant ausgezeichnet wurde.

Über Kilonovae

• Neutronensterne sind extrem kompakte Sterne, die hauptsächlich aus Neutronen bestehen. Sie haben in der Regel nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern, wiegen aber ein- bis zwei Mal soviel wie die Sonne. Ein Teelöffel Neutronensternmaterie wiegt etwa so viel wie der Mount Everest.
• Wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren, entsteht das Phänomen einer Kilonova. Es handelt sich dabei um einen radioaktiven, hell leuchtenden Feuerball, der sich mit enormer Geschwindigkeit ausdehnt und hauptsächlich aus schweren Elementen besteht, die bei der Verschmelzung und ihren Nachwirkungen entstanden sind. Diese neu gebildeten Elemente werden in den Weltraum geschleudert und mit Gaswolken vermischt, aus denen eine neue Generation von Sternen und Planeten hervorgeht.
• Die Elemententstehung in Kilonovae wurde 1974 vorhergesagt. Im Jahr 2017 wurden zum ersten Mal detaillierte Daten von einer Kilonova gewonnen, als es den Detektoren LIGO (in den USA) und Virgo (in Europa) gelang, Gravitationswellen einer Neutronensternverschmelzung zu detektieren und die Position der Kilonova am Himmel einzugrenzen. Teleskope fanden schließlich die Kilonova AT2017gfo in der Nähe einer 140 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie.

Originalpublikation:
doi.org/10.1038/s41586-022-05616-x
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05616-x

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 1. November 2022.

Frankfurt, 1. November 2022 – Wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht und dieser als Supernova explodiert, kann ein extrem kompaktes Objekt, ein sogenannter Neutronenstern, zurückbleiben. Neutronensterne sind außerordentlich dicht: Um die Dichte in einem Neutronenstern zu erreichen, müsste man unsere Sonne auf den Durchmesser einer Stadt wie Frankfurt zusammendrücken. Im Jahr 2017 konnten erstmals die kleinen Krümmungen in der Raumzeit – sogenannte Gravitationswellen, die bei der Kollision solch kompakter Sterne entstehen – auf der Erde gemessen werden.

Die Zusammensetzung des heißen und dichten Produkts dieser Kollisionen ist jedoch noch nicht genau bekannt. Es wird vermutet, dass etwa Quarks, die sonst in Neutronen gefangen sind, nach der Kollision in freier Form auftreten können. Ein Forschungsteam um Dr. Christian Ecker vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt und Dr. Matti Järvinen und Dr. Tuna Demircik vom Asia Pacific Center für Theoretische Physik in Pohang, Südkorea, hat nun ein neues Modell entwickelt, um der Antwort auf diese Frage einen Schritt näher zu kommen. Darin erweitern sie Modelle aus der Kernphysik, die bei hohen Dichten ihre Aussagekraft verlieren, mit einer Methode aus der Stringtheorie, die den Übergang zu dichter und heißer Quarkmaterie beschreiben kann. “In unserer Methode verwenden wir einen mathematischen Zusammenhang aus der Stringtheorie, nämlich die Korrespondenz zwischen fünfdimensionalen schwarzen Löchern und stark wechselwirkender Materie, um den Phasenübergang zwischen dichter Kern- und Quarkmaterie zu beschreiben”, erklären Dr. Demircik und Dr. Järvinen.

”Wir haben das neue Modell bereits in Computersimulationen verwendet, um damit das Gravitationswellensignal dieser Kollisionen zu berechnen und gezeigt, dass dabei sowohl heiße also auch kalte Quarkmaterie entstehen kann”, erläutert Dr. Ecker, der diese Simulationen in Zusammenarbeit mit den Doktoranden Samuel Tootle und Konrad Topolski aus dem Arbeitskreis von Prof. Luciano Rezzolla an der Goethe-Universität Frankfurt umgesetzt hat.

Als nächstes hoffen die Forscher*innen ihre Simulationen mit zukünftig gemessen Gravitationswellen aus dem Weltall vergleichen zu können, um somit weitere Erkenntnisse über Quarkmaterie in Neutronensternkollisionen zu gewinnen.

Publikation:
Dense and Hot QCD at Strong Coupling, Tuna Demircik, Christian Ecker, and Matti Järvinen, Phys. Rev. X 12, 041012 – Published 31 October 2022, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041012, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.12.041012.

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Der Beitrag Dichter geht’s nicht: Neues Modell für Materie in Neutronensternenkollisionen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Hamburg 1. August 2022.

1. August 2022 – Neutronensterne entstehen, wenn Sterne bestimmter Masse das Ende ihres Lebenszyklus erreichen. „Neutronensterne zeichnen sich durch extreme Materiedichten aus, die etwa fünfmal so hoch sind wie in einem Atomkern. Sie sind also quasi gigantische Atomkerne mit einem Radius von mehreren Kilometern“, sagt Prof. Dr. Stephan Rosswog, der zum 1. August 2022 einen Ruf an die Universität Hamburg angenommen hat. Im Rahmen des ERC Advanced Grants „Inspiration: From inspiral to kilonova“ wird er die Physik umeinanderkreisender und kollidierender Neutronensterne erforschen. Dazu modelliert er die Kollisionen mithilfe von Supercomputern und auf der Grundlage theoretischer Vorhersagen über die Eigenschaften von Neutronensternen.

Umeinanderkreisende Neutronensterne erzeugen durch ihre extreme Materiedichte sogenannte Gravitationswellen, also Schwingungen der Raum-Zeit. Daneben wird durch die Kollision ein Teil ihrer Materie ins All geworfen. Es entsteht elektromagnetische Strahlung in verschiedenen Frequenzbereichen. „Die Herausforderung ist, sowohl die Gravitationswellen als auch die elektromagnetische Strahlung in eine einzige Modellierung zu integrieren, denn sie basieren auf völlig verschiedenen physikalischen Prozessen. Bislang wurden das Umeinanderkreisen der Neutronensterne bis zur Kollision und die Strahlung in separaten Modellen berechnet“, erklärt Stephan Rosswog. „Inzwischen sind wir aber soweit, dass wir beides zusammen modellieren können.“

Durch einen Abgleich der theoretischen Modellierungen mit den Messdaten von Gravitationswellendetektoren und Teleskopen lassen sich theoretische Vorhersagen über Neutronensterne überprüfen. Ende der 1990er Jahren hat Stephan Rosswog gemeinsam mit Kollegen beispielsweise vorhergesagt, dass bei der Kollision von Neutronensternen schwere Elemente wie Gold, Platin oder Blei entstehen. Die darauf basierenden Modellierungen stimmen mit den tatsächlichen Messdaten überein.

„Neutronensterne sind auch ein Labor für die Relativitätstheorie“, sagt Rosswog. 2017, zwei Jahre nach der Messung des ersten Gravitationswellensignals, wurden erstmals Gravitationswellen aus der Kollision von zwei Neutronensternen gemessen. Im Zusammenspiel mit Daten von Teleskopen hat sich damals experimentell bestätigt, dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Damit wurde eine zentrale Vorhersage aus Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie belegt.

Der ERC Advanced Grant ist eines von fünf Programmen, mit denen der Europäische Forschungsrat Grundlagenforschung fördert. Die Advanced Grants richten sich an etablierte Spitzenforscherinnen und -forscher mit mehr als zehn Jahren Erfahrung in der Wissenschaft, die ihre Forschungsfelder maßgeblich prägen.

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 8. Juni 2022.

8. Juni 2022 – Überall im Universum werden Neutronensterne in Supernova-Explosionen geboren, die das Ende des Lebens massereicher Sterne markieren. Manchmal sind Neutronensterne in Doppelsternsystemen gebunden und werden schließlich miteinander kollidieren. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene zeichnen sich durch so extreme Bedingungen aus, dass sie die meisten schweren Elemente wie Silber und Gold erzeugen. Daher sind Neutronensterne und ihre Kollisionen einzigartige Laboratorien zur Untersuchung der Eigenschaften von Materie bei Dichten, die weit über den Dichten in Atomkernen liegen. Experimente mit Schwerionen-Kollisionen, die mit Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind eine Möglichkeit, Materie bei hohen Dichten und unter extremen Bedingungen zu erzeugen und zu untersuchen.

„Die Kombination von Erkenntnissen aus der theoretischen und experimentellen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen ist unerlässlich, um die Eigenschaften neutronenreicher Materie über den gesamten Dichtebereich, der in Neutronensternen vorkommt, zu verstehen“, erklärt Sabrina Huth, Institut für Kernphysik an der Technischen Universität Darmstadt, Erstautorin der Veröffentlichung. Peter T. H. Pang, ein weiterer Erstautor vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht, fügt hinzu: „Wir stellen fest, dass die Teilchenbeschleuniger-Daten von Goldionen-Kollisionen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit astrophysikalischen Beobachtungen aufweisen, obwohl sie mit völlig anderen Methoden gewonnen wurden.“

Dank der jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie konnte das internationale Team, an dem Forschende aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt sind, neue Erkenntnisse über die grundlegenden Wechselwirkungen in der Kernmaterie gewinnen. In einer interdisziplinären Studie haben die Wissenschaftler*innen Informationen aus Schwerionenkollisionen mit astronomischen Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen und astrophysikalischen und kerntheoretischen Berechnungen zusammengebracht. Ihre systematische Studie kombiniert erstmals all diese Informationen und deutet auf einen höheren Druck bei mittleren Dichten in Neutronensternen hin.

Die Autor*innen haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihre mehrstufige Analyse einfließen lassen, welche auf Informationen aus der theoretischen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen basiert. Dazu gehören Messungen der Masse von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen von der „Neutron Star Interior Composition Explorer“ (NICER) Mission auf der Internationalen Raumstation sowie Multi-Messenger-Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Neutronensterne.

Die Einbeziehung der Daten von Schwerionen-Kollisionen in die Analysen hat zusätzliche Einschränkungen im Dichtebereich ermöglicht, wo die Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen weniger sensitiv sind. Dies hat dazu beigetragen, ein vollständigeres Verständnis der dichten Materie zu gewinnen. In Zukunft können verbesserte Daten aus Schwerionenkollisionen eine wichtige Rolle bei der Verknüpfung von Kerntheorie und astrophysikalischen Beobachtungen spielen, indem sie ergänzende Informationen liefern. Insbesondere Experimente, die höhere Dichten erforschen und gleichzeitig die experimentellen Unsicherheiten verringern, haben ein großes Potenzial, neue Hinweise auf die Eigenschaften von Neutronensternen zu liefern. Neue Informationen auf beiden Seiten können leicht in die Berechnungen integriert werden, um das Verständnis dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.
Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation
Sabrina Huth, Peter T. H. Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin, Chris Van Den Broeck: „Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions“, DOI 10.1038/s41586-022-04750-w,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

28. Februar 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat möglicherweise den „Schallknall“ einer sogenannten Kilonova entdeckt. So bezeichnet man die gewaltige Explosion, die entsteht, wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren. Die Kilonova „GW170817“ im Sternbild Hydra ist das erste Objekt überhaupt, bei dem sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung gemessen werden konnten. Seinen Namen trägt „GW170817“, weil es am 17. August 2017 entdeckt wurde: Die Laser-Interferometer LIGO (in den USA) und Virgo (in Italien) haben an diesem Tag die Gravitationswellen registriert, die mit einem Ausbruch von Gammastrahlen zusammenfielen.

Seitdem haben Astronomen Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum auf GW170817 gerichtet und untersuchen seine Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum. Chandra ist dabei das einzige Observatorium, das mehr als vier Jahre nach dem Ereignis immer noch Strahlung registrieren kann, die von dieser außergewöhnlichen kosmischen Kollision stammt. „Die unmittelbaren Folgen einer Neutronensternverschmelzung untersuchen zu können, ist absolutes Neuland“, sagt Aprajita Hajela von der Northwestern University (USA), die die aktuelle Studie von GW170817 mit Chandra geleitet hat.

Verschmolzene Neutronensterne strahlen Materie-Jet ab
Bisher gehen Astronomen davon aus, dass nach der Verschmelzung von Neutronensternen deren Trümmer sichtbares und infrarotes Licht abstrahlen, das beim Zerfall radioaktiver Elemente entsteht. Dieser Lichtausbruch wird als Kilonova bezeichnet. Im Fall von GW170817 konnten tatsächlich auch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung mehrere Stunden nach den Gravitationswellen entdeckt werden. Im Röntgenspektrum sah die Neutronensternverschmelzung allerdings ganz anders aus: Unmittelbar nach der Entdeckung von GW170817 richtete Chandra seinen „Röntgenblick“ auf das Objekt und registrierte – nichts. Erst mehrere Tage später, am 26. August 2017, konnte Chandra GW170817 als punktförmige Röntgenstrahlungsquelle ausmachen.

Diesen Umstand erklären die Forschenden damit, dass die verschmolzenen Neutronensterne einen schmalen „Jet“ aus hochenergetischen Teilchen abstrahlen, der „off-axis“, also nicht direkt auf die Erde ausgerichtet ist. Sie vermuten, dass Chandra den schmalen Jet ursprünglich von der Seite beobachtete und daher unmittelbar nach der Entdeckung der Gravitationswellen noch keine Röntgenstrahlen sah. Im Laufe der Zeit verlangsamte sich jedoch das abgestrahlte Material und der Jet-Kegel verbreiterte sich, da er auf umgebende Materie prallte. Dies führte dazu, dass sich der Kegel des Jets immer mehr in die direkte Sichtlinie von Chandra ausdehnte und so die Röntgenstrahlung gemessen werden konnte.

Kosmisches Nachglühen oder neues Schwarzes Loch
Seit Anfang 2018 wurde die von dem Jet verursachte Röntgenstrahlung immer schwächer, da sich der Jet weiter verlangsamte und ausdehnte. Hajela und ihr Team stellten dann jedoch fest, dass der Helligkeitsrückgang ab März 2020 bis Ende 2020 stoppte und die Strahlung in diesem Zeitraum konstant blieb. „Etwas anderes als der Jet selbst muss dafür verantwortlich sein“, sagt Koautorin Raffaella Margutti von der University of California in Berkeley (USA).

Eine mögliche Erklärung für diese neue Röntgenstrahlungsquelle war, dass die sich ausdehnenden Trümmer der Verschmelzung einen „Schock“ erzeugt haben, ähnlich dem Überschallknall eines Überschallflugzeugs. Dieser Schock erhitzt Material, das selbst Strahlung erzeugt und als Kilonova-Nachglühen bezeichnet wird. Eine alternative Erklärung wäre, dass die zusätzlichen Röntgenstrahlen von Material stammen, das in ein Schwarzes Loch fällt, welches sich nach der Verschmelzung der Neutronensterne gebildet haben müsste. „Dies wäre entweder das erste Mal, dass wir ein Kilonova-Nachglühen sehen oder das erste Mal, dass wir Material sehen, das nach einer Neutronensternverschmelzung auf ein Schwarzes Loch fällt“, sagt Koautor Joe Bright, ebenfalls von der University of California in Berkeley.

Simulationen und Einsteins Relativitätstheorie können die Beobachtungen erklären
Um zu ermitteln, welche der beiden Erklärungen zutreffend ist, müssen die Astronomen GW170817 weiterhin beobachten und neben den Röntgenstrahlen auch mögliche Radiowellen messen. Wenn es sich um ein Kilonova-Nachglühen handelt, wird die Radioemission voraussichtlich mit der Zeit heller werden. Handelt es sich dagegen um Materie, die auf ein neu entstandenes Schwarzes Loch fällt, dann sollte die Röntgenstrahlung konstant bleiben oder schnell abnehmen und es wird keine Radioemission auftreten.

Hier kommen nun Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi und der ehemalige Doktorand Vsevolod Nedora von der Universität Jena ins Spiel, die beide Koautoren der aktuellen Publikation sind. Sie haben die Massenausflüsse, von denen das Kilonova-Signal ausgeht, in einem großen Satz von Simulationen, die speziell auf GW170817 ausgerichtet sind und neueste mikrophysikalische Modelle beinhalten, analysiert. Sie berechneten das zu erwartete Kilonova-Nachleuchten und konnten eine Übereinstimmung mit den Chandra-Beobachtungen feststellen. „Die enge Zusammenarbeit von astronomisch und theoretisch arbeitenden Teammitgliedern war der Schlüssel zur Identifizierung der möglichen Szenarien für den Ursprung der späten Röntgenemission von GW170817“, betont Sebastiano Bernuzzi.

Dennoch ist weitere Forschung und Beobachtung von GW170817 notwendig und könnte so Koautorin Kate Alexander, ebenfalls von der Northwestern University, weitreichende neue Erkenntnisse liefern. „Der Nachweis eines Kilonova-Nachleuchtens würde bedeuten, dass bei der Verschmelzung nicht sofort ein Schwarzes Loch entstanden ist. Alternativ könnte dieses Objekt den Astronomen die Möglichkeit bieten, zu untersuchen, wie Materie einige Jahre nach der Entstehung eines Schwarzen Lochs auf dieses fällt.“ Kürzlich ist bei neuen Chandra-Beobachtungen weitere Strahlung entdeckt worden, Radiowellen in Verbindung mit der aufkommenden Röntgenstrahlung sind bisher aber nicht gemessen worden.

Originalpublikation
Hajela, A. et al.: The emergence of a new source of X-rays from the binary neutron star merger GW170817
The Astrophysical Journal Letters

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