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NEUTRONENSTERNE
Kombination von Daten erlaubt neue Erkenntnisse
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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17. Juni 2022

Erstmals wurden jetzt Daten aus kernphysikalischen Experimenten, Gravitationswellenmessungen und anderen astronomischen Beobachtungen mit theoretischen Erkenntnissen kombiniert, um das Verhalten der dichten Materie im Inneren von Neutronensternen besser zu verstehen. Die Methode lässt sich leicht für neue Daten anpassen.

Kollision

Künstlerische Darstellung einer numerisch-relativistischen Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne mit einem Bild der bei einer Goldionen-Kollision entstandenen Teilchen. Die Neutronensternverschmelzung ähnelt dem Gravitationswellensignal GW170817 mit zwei nicht rotierenden Neutronensternen und einer Chirp-Masse von 1,188 Sonnenmassen. Die Goldionen-Kollision mit einer relativistischen kinetischen Energie von 1,5 GeV pro Nukleon wird durch das Nachweisbild eines solchen Ereignisses im FOPI-Detektor der GSI gezeigt. Bild: T. Dietrich (Universität Potsdam & Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), A. Le Fevre (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH), K. Huyser (NIKHEF); Hintergrund: ESA/Hubble, Sloan Digital Sky Survey  [Großansicht]

Neutronensterne entstehen in Supernova-Explosionen am Ende des Lebens massereicher Sterne. Manchmal befinden sich Neutronensterne in Doppelsystemen und kollidieren schließlich miteinander. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene weisen so extreme Bedingungen auf, dass sie die meisten schweren Elemente – wie beispielsweise Silber und Gold – hervorbringen. Daher stellen Neutronensterne und ihre Kollisionen ein einzigartiges Labor dar, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten weit über der von Atomkernen zu untersuchen.

Teilchenbeschleuniger-Experimente mit Schwerionen-Kollisionen sind eine andere 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", sagt Sabrina Huth von der Technischen Universität Darmstadt. "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", ergänzt Peter T. H. Pang vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht.

"In den letzten Jahren haben wir genaue Modelle entwickelt, die es uns ermöglichen, die Eigenschaften der Neutronensterne aus den beobachteten Gravitationswellendaten zu extrahieren. Dies ist ein Schlüsselaspekt für eine zuverlässige Interpretation der Multi-Messenger-Ergebnisse", erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut). Die jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie haben es dem internationalen Forschungsteam, an dem Forschende aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt sind, ermöglicht, ein neues Feld zu erschließen, um das fundamentale Verständnis von Kernkräften zu verbessern und zu vervollständigen.

In einer interdisziplinären Studie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Informationen aus Schwerionenkollisionen mit astronomischen Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen, hochleistungsfähigen astrophysikalischen Kalkulationen und theoretischen kernphysikalischen Berechnungen kombiniert. In ihrer systematischen Untersuchung werden zum ersten Mal alle diese einzelnen Disziplinen gemeinsam betrachtet. Die Autorinnen und Autoren haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die an der GSI in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihr mehrstufiges Verfahren einfließen lassen, das Messdaten aus der theoretischen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen analysiert.

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Dazu gehören Messungen der Masse von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen über schnell rotierende Neutronensterne, die im Rahmen der Mission Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) auf der Internationalen Raumstation ISS gewonnen wurden, sowie Multi-Messenger-Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Neutronensterne. Die Methode lässt sich leicht an neue Informationen aus Laborexperimenten, astronomischen Beobachtungen oder der Theorie anpassen, um so das Verständnis von dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern. Neue Gravitationswellenbeobachtungen werden ab Ende 2022 mit dem nächsten Beobachtungslauf des internationalen Detektornetzwerks möglich sein.

"Wir leben in aufregenden Zeiten, in denen es möglich wird, Berechnungen und Experimente der Kernphysik direkt mit astrophysikalischen Modellen und Beobachtungen zu vergleichen. Ende diesen Jahres werden die Gravitationswellen-Detektoren ihre nächsten Beobachtungsläufe starten, und wir können auf einige weitere Multi-Messenger-Beobachtungen verschmelzender Neutronensternen hoffen. Diese Daten werden uns den Weg zu einem besseren Verständnis der extrem dichten Materie ebnen und es uns ermöglichen, interdisziplinäre Studien mit noch nie dagewesener Genauigkeit durchzuführen", blickt Dietrich voraus.

Die Studie des Teams ist jetzt in der Zeitschrift Nature erschienen ist.

Forum
Kombination von Daten erlaubt neue Erkenntnisse über das Innere von Neutronensternen. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Multi-Messenger-Astronomie: Neues zu Neutronensternen und Hubble-Konstante - 22. Dezember 2020
Gravitationswellen: Größe von Neutronensternen vermessen - 23. März 2020
Links im WWW
Huth, S. et al. (2022): Constraining neutron-star matter with microscopic and macroscopic collisions, Nature, 606, 276
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
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