FRANKFURT / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Erforschung der inneren Struktur von Neutronensternen hat durch die Nutzung von Gravitationswellen als kosmische Stimmgabeln einen neuen Impuls erhalten.
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Die Wissenschaft hat einen neuen Weg entdeckt, die inneren Strukturen von Neutronensternen zu erforschen, indem sie Gravitationswellen als kosmische Stimmgabeln nutzen. Diese Wellen, die durch Kollisionen von Neutronensternen entstehen, könnten wertvolle Informationen über das Innere dieser extremen stellaren Überreste liefern. Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne sterben und ihre Masse auf einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern komprimiert wird. Aufgrund ihrer extremen Dichte sind die inneren Strukturen dieser Sterne bisher weitgehend unbekannt.
Ein Forschungsteam um Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität Frankfurt hat die Theorie aufgestellt, dass die Kollisionen zwischen Neutronensternen der Schlüssel zur Entschlüsselung ihrer inneren Strukturen sein könnten. Insbesondere konzentriert sich das Team darauf, wie das Ergebnis dieser Kollisionen den Raum mit Gravitationswellen zum Schwingen bringt. Diese Schwingungen könnten, ähnlich wie bei Stimmgabeln aus unterschiedlichen Materialien, unterschiedliche Frequenzen aufweisen, die Aufschluss über die Zusammensetzung der Neutronensterne geben könnten.
Die Theorie der Gravitationswellen wurde erstmals von Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 vorgeschlagen. Diese Theorie besagt, dass die Schwerkraft durch die Krümmung der Raumzeit entsteht. Wenn massive Objekte beschleunigen, senden sie Wellen durch die Raumzeit aus. In einem binären System von Neutronensternen, die sich umkreisen, werden Gravitationswellen ausgestrahlt, die den Drehimpuls des Systems verringern und die Sterne näher zusammenbringen, bis sie schließlich kollidieren.
Diese Kollisionen führen zu einer Explosion, die als Kilonova bekannt ist und eine starke Emission von Gravitationswellen verursacht. Das resultierende Objekt, ein schnell rotierender Überrest, sendet ebenfalls Gravitationswellen aus, jedoch in einem engen Frequenzbereich. Rezzolla und sein Team schlagen vor, dass diese Gravitationswellen Informationen über das Innere des Überrests enthalten, insbesondere über die Gleichung des Zustands der Materie bei extremen Dichten und Drücken.
Durch Computersimulationen der allgemeinen Relativitätstheorie fand das Team heraus, dass die Amplitude des Gravitationswellensignals nach der Kollision mit der Zeit abnimmt und sich auf eine einzige Frequenz konzentriert. Diese Phase wird als ‘long ringdown’ bezeichnet und könnte eine starke Verbindung zu den Eigenschaften der dichtesten Regionen in den Kernen von Neutronensternen haben.
Die Analyse des ‘long ringdown’-Signals könnte die Unsicherheiten in der Gleichung des Zustands der Materie bei den extrem hohen Dichten in Neutronensternen verringern. Dank fortschrittlicher statistischer Modellierung und hochpräziser Simulationen auf Deutschlands leistungsstärksten Supercomputern hat das Team eine neue Phase des ‘long ringdown’ in Neutronensternverschmelzungen entdeckt, die neue und strenge Einschränkungen für den Zustand der Materie in Neutronensternen bieten könnte.
Gravitationswellendetektoren wie LIGO und Virgo lauschen seit 2015 diesen Raumzeitwellen. Ein ‘long ringdown’-Signal, wie es in dieser Forschung diskutiert wird, wurde jedoch noch nicht ‘gehört’. Die Hoffnung liegt auf der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren, einschließlich des weltraumgestützten Observatoriums LISA, die in der Lage sein könnten, eine solche Entdeckung zu machen.
Diese Entdeckung ebnet den Weg für ein besseres Verständnis der dichten Materie in Neutronensternen, insbesondere wenn in Zukunft neue Ereignisse beobachtet werden. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 3. Februar in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
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