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MULTI-MESSENGER-ASTRONOMIE
Neues zu Neutronensternen und Hubble-Konstante
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Potsdam
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22. Dezember 2020

Ein internationales Wissenschaftsteam hat nicht nur die Größe eines typischen Neutronensterns bestimmt, sondern auch die Ausdehnung des Universums gemessen - und dies auf ganz besondere Weise: Die Forschenden kombinierten Beobachtungsdaten von Neutronenstern-Kollisionen mit kernphysikalischen Berechnungen.

Neutronensterne

Ausstoß von elektromagnetischen und Gravitationswellenemissionen während der Kollision zweier Neutronensterne. Bild: Tim Dietrich [Großansicht]

In der modernen Astrophysik nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Arten von Botensignalen aus dem Weltraum, insbesondere Licht, kosmische Teilchen und Gravitationswellen, um grundlegende Fragen zur Geschichte des Kosmos zu beantworten. Diese "Multi-Messenger-Astronomie" ist ein schnell wachsendes Forschungsgebiet, wobei die kosmischen Boten im elektromagnetischen Lichtspektrum z. B. Gammastrahlen, ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht, oder Radiowellen umfassen. Botenteilchen können aber auch z. B. Elektronen, Protonen, Neutrinos oder komplexe Atomkerne sein oder auch Gravitationswellen.

Gravitationswellen sind winzige Wellen innerhalb der vierdimensionalen Raumzeit, erzeugt von beschleunigten Massen wie Neutronensternen oder Schwarzen Löchern, die sich aus sterbenden Sternen bilden. Von kollidierenden Neutronensternen können Astronomen die Eigenschaften von Materie bei sehr hohen Dichten ableiten, von denen ein einziger Teelöffel voll unvorstellbare Millionen von Tonnen wiegen würde. Beim Zusammenstoß von Neutronensternen könnten die meisten schweren Elemente des Periodensystems gebildet werden, außerdem lässt sich aus den dabei abgegebenen Signalen die Expansionsrate des Universums messen.

Um den physikalischen Prozessen bei Zusammenstößen von Neutronensternen auf die Spur zu kommen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland, den Niederlanden, Schweden, Frankreich und den USA Beobachtungen dieser Kollisionen mit elektromagnetischen und Gravitationswellensignalen kombiniert. "Um astrophysikalische Informationen zum Zustand der Materie unter diesen extremen Bedingungen zu gewinnen, führen wir unsere Beobachtungen mit theoretischen kernphysikalischen Berechnungen zusammen. Mit unserer Methode konnten wir den Durchmesser eines typischen Neutronensterns auf rund zwölf Kilometer bestimmen. Das entspricht der Größe einer Stadt, aber mit einer Masse von einer halben Million Erdmassen", sagt Tim Dietrich, Professor für theoretische Astrophysik am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam.

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Außerdem nutzte das Forschungsteam die astrophysikalischen Informationen, um die Hubble-Konstante zu bestimmen. "In den letzten Jahren hat die Wissenschaftsgemeinschaft versucht, verschiedene Messungen dieser fundamentalen Konstante, welche die Ausdehnung des Universums beschreibt, zu vereinheitlichen. Mit unserem Ansatz konnten wir die Hubble-Konstante neu messen, und die Ergebnisse bestätigen die vorhergehende Messung anhand des kosmischen Mikrowellenhintergrunds", fügt Ingo Tews hinzu, Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory und Koautor der Studie. Der gefunden Wert liegt bei etwa 66 km/s / Mpc.

Ausgehend von theoretischen Überlegungen zur Kernmaterie in Neutronensternen analysierten die Forschenden astronomische Daten in einem mehrstufigen Prozess. "Wir berücksichtigten Massebestimmungen von Neutronensternen aus Radiobeobachtungen, Messungen eines schnell rotierenden Neutronensterns, sowie Beobachtungen von elektromagnetischen und Gravitationswellensignalen von kollidierenden Neutronensternen", erklärt Dietrich die Methoden. "Für letztere haben wir das gesamte Frequenzspektrum von Radiowellen bis zu Gammastrahlen untersucht." Der entwickelte Ablauf sei allgemeingültig und könne leicht erweitert werden, um in den nächsten Jahren eine wachsende Anzahl von Signalen zu berücksichtigen, fasst er zusammen.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Science erschienen ist.

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siehe auch
Dunkle Materie: Ultraleichte Felder aus dem All - 4. November 2020
Gravitationswellen: Größe von Neutronensternen vermessen - 23. März 2020
Links im WWW
Universität Potsdam
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