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SIMULATIONEN
Neutronensterne und die Gravitationswellen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Frankfurt
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18. März 2015

Die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen warten noch immer auf ihren direkten Nachweis. Nun haben Physiker nachgerechnet, was man alles erfahren würde, wenn man die Gravitationswellen von zwei verschmelzenden Neutronensternen aufspüren könnte - offenbar eine ganze Menge. Sie halten entsprechenden Messungen innerhalb weniger Jahre für möglich.

Neutronensterne

Vier Schnappschüsse von der Fusion zweier Neutronensterne. Von der Annäherung bis zur Verschmelzung vergehen nur wenige Millisekunden, in denen ungeheure Massen beschleunigt werden. Die Signale der dabei theoretisch entstehenden Gravitationswellen sind jetzt in Simulationen berechnet worden. Bild: Universität Frankfurt [Großansicht]

Bisher ist es noch nicht gelungen, die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Gravitationswellen zu messen. Sie sind so schwach, dass sie im Rauschen der Messungen untergehen. Doch Dank neuester Simulationen der Verschmelzung besonders massereicher Neutronen-Doppelstern-Systeme ist jetzt die Struktur der gesuchten Signale bekannt. Wie ein deutsch-japanisches Team theoretischer Astrophysiker in einer jetzt veröffentlichten Studie zeigt, besitzen Gravitationswellen ein charakteristisches Spektrum, ähnlich den Spektrallinien von Atomen.

Gravitationswellen entstehen bei der Beschleunigung von Massen. Erste indirekte Hinweise auf ihre Existenz gibt es seit 1974, als der Doppelpulsar PSR B1913+16 im Sternbild Adler entdeckt wurde. Die beiden schnell umeinander kreisenden Neutronensterne driften spiralförmig aufeinander zu, was Astrophysiker dadurch erklären, dass sie Gravitationsenergie abstrahlen. Russell A. Hulse und Joseph H. Taylor erhielten für diese Entdeckung 1993 den Nobelpreis für Physik.

Inzwischen gibt es mehrere großangelegte Experimente zur Detektion von Gravitationswellen: das US-amerikanische LIGO-Experiment, das europäische Virgo-Experiment und den japanischen KAGRA-Detektor. Fachleute rechnen damit, innerhalb der nächsten fünf Jahre Signale von Gravitationswellen aus fusionierenden Neutronen-Doppelstern-Systemen aufzuspüren.

"Diese Signale zu entdecken wird nicht einfach sein, weil sie eine extreme kleine Amplitude haben. Aber trotz dieser erschwerten Bedingungen ist es möglich, sie zu finden, wenn sie im Voraus bekannt sind", erklärt Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität in Frankfurt.

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Gemeinsam mit einem japanischen Kollegen von der Universität Osaka hat er eine Reihe von Neutronen-Doppelstern-Systemen mithilfe von neuesten Simulationstechniken untersucht und herausgefunden, dass beim Verschmelzen der Sterne charakteristische Gravitationswellen-Spektren entstehen. "Diese Spektren entsprechend den elektromagnetischen Spektrallinien, die von Atomen oder Molekülen emittiert werden. Wir können daraus Informationen über die Eigenschaften der Sterne gewinnen", erklärt Rezzolla.

Die Astrophysiker konnten in ihrer Studie zeigen, dass das Spektrum der Gravitationswellen wie ein Fingerabdruck der beiden Sterne ist. Lernt man, ihn zu interpretieren, weiß man, woraus die Sterne bestehen und kann ihre bisher noch unbekannte Zustandsgleichung aufstellen.

Zustandsgleichungen beschreiben die thermodynamischen Eigenschaften von Systemen in Abhängigkeit von Größen wie Druck, Temperatur, Volumen oder Teilchenzahl. "Das ist eine sehr aufregende Möglichkeit, denn wir könnten damit ein seit 40 Jahren ungelöstes Rätsel lösen: Woraus bestehen Neutronensterne und was ist ihre stellare Struktur? Wenn das Signal stark und damit der Fingerabdruck sehr deutlich wäre, würde sogar eine einzige Messung ausreichen", so Rezzolla. "Die Aussichten, das Rätsel der Neutronensterne zu lösen, waren nie so gut. Schon jetzt sind die Gravitationswellen, die wir hoffentlich in einigen Jahren entdecken werden, von den entferntesten Enden des Universums zu uns unterwegs."

Über ihrer Ergebnisse berichten die Physiker in zwei zusammenhängenden Fachartikeln, die im November in den Physical Review Letters und in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Physical Review D erschienen sind.

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siehe auch
Gamma-ray Bursts: Kollidierende Neutronensterne im Computer - 11. April 2011
Simulation: Wie Neutronensterne verschmelzen - 28. Oktober 2008
Neutronensterne: Wenn Neutronensterne kollidieren - 31. März 2006
Neutronensterne: Gravitationswellen als Bremse? - 7. September 1999
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org (Physical Review Letters)
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org (Physical Review D)
Universität Frankfurt
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