Gravitationswellen verstehen mit Hypermodellen

Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne
Foto : T. Dietrich, S. Ossokine, A. Buonanno, W. Tichy and the CoRe-collaboration
Numerisch-relativistische Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne, die zu dem am 25. April 2019 gemessenen Gravitationswellenereignis (GW190425) führte.

Um Systeme zweier miteinander verschmelzender Neutronensterne physikalisch zu untersuchen, haben Dr. Gregory Ashton von der University of London und Prof. Dr. Tim Dietrich von der Universität Potsdam/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik ein neues Verfahren entwickelt. Mit ihrer innovativen Hypermodell-Analyse können sie Modellentwicklungen testen und systematische Muster in zukünftigen Gravitationswellenbeobachtungen erkennen. Die dazugehörige Publikation erschien nun in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“.

Am Lebensende eines massereichen Sterns kann aus einer Supernova-Explosion ein extrem dichter Neutronenstern entstehen, mit einer Masse von bis zu einer Milliarde Tonnen pro Teelöffel Neutronensternmaterial. Die Verschmelzung zweier sich umkreisender Neutronensterne bedeutet also einen kosmischen Zusammenstoß gewaltigen Ausmaßes. Bei den Kollisionen solcher Sterne wird nicht nur eine enorme Energiemenge freigesetzt. Es werden auch Gravitationswellen, also winzige Änderungen im Gefüge der Raumzeit, ausgesendet. Zwei gut beobachtete Neutronensternfusionen sind GW170817 und GW190425. GW steht für „Gravitationswelle“, der Name bezieht sich auf das Datum, an dem man diese Ereignisse beobachtet hat, also der 17. August 2017 und der 25. April 2019. Sowohl GW170817 als auch GW190425 wurden mit den Laserinterferometern Advanced LIGO und Advanced Virgo hier auf der Erde gemessen. Im Fall von GW170817 konnten sogar elektromagnetische Signale in den Bereichen Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Ultraviolett, sichtbares Licht, Infrarot und Radiowellen gemessen werden.

Mit Simulationen der numerischen Relativitätstheorie versuchen Forschende weltweit auf Hochleistungsrechnern die Endphase der Verschmelzung und das ausgesendete Gravitationswellensignal zu modellieren. „Die direkte Berechnung von Gravitationswellen ist eine anspruchsvolle Aufgabe“, sagt Tim Dietrich, „denn die Einsteinschen Feldgleichungen, welche die Endphase der Kollision bestimmen, sind extrem schwer zu lösen.“ Daher werden Näherungsmodelle verwendet. „Mit unserem Hypermodell-Verfahren sind wir in der Lage, die Annahmen des Gravitationswellenmodells ohne rechenintensive Simulationen numerischer Relativität, aber dafür mithilfe der beobachteten Gravitationswellendaten zu testen“, erklärt Greg Ashton. Die beiden Wissenschaftler wendeten ihren neuen Ansatz auf die sicher nachgewiesenen Neutronensternkollisionen GW170817 und GW190425 an und fanden heraus, dass ein bestimmtes Wellenmodell die beobachteten Daten etwas besser erklären kann. „Da die Gravitationswellendetektoren dank weiterentwickelter Instrumente in Zukunft noch empfindlicher sein werden, erwarten wir, dass solche feinen Unterschiede deutlicher hervortreten. Die Systematik der Wellenformmodelle zu quantifizieren, wird es uns dann ermöglichen, die grundlegenden physikalischen Prinzipien stärker einzuschränken“, fasst Tim Dietrich zusammen.

 

Link zur Publikation: Gregory Ashton and Tim Dietrich, Understanding binary neutron star collisions with hypermodels, Nature Astronomy, 2022, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01707-x

 

Abbildung: Numerisch-relativistische Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne, die zu dem am 25. April 2019 gemessenen Gravitationswellenereignis (GW190425) führte. Bildrechte: T. Dietrich, S. Ossokine, A. Buonanno, W. Tichy and the CoRe-collaboration.

 

Kontakt: Prof. Dr. Tim Dietrich, Institut für Physik und Astronomie und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Tel.: 0331 977-230160, E-Mail: tim.dietrichuni-potsdamde

 

Media Information 05-07-2022 / Nr. 078
Dr. Stefanie Mikulla