Neue Erkenntnisse zur Zusammensetzung von Neutronensternen

Künstlerische Darstellung einer numerisch-relativistischen Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne mit einem Bild der bei einer Goldionen-Kollision entstandenen Teilchen.
Foto : T. Dietrich (UP/AEI), A. Le Fevre (GSI), K. Huyser (NIKHEF)
Künstlerische Darstellung einer numerisch-relativistischen Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne mit einem Bild der bei einer Goldionen-Kollision entstandenen Teilchen.

Um das Verhalten der dichten Materie im Inneren von Neutronensternen besser zu verstehen, hat ein internationales Forschungsteam, dem auch Prof. Dr. Tim Dietrich (Uni Potsdam/Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik) angehört, erstmals Daten aus kernphysikalischen Experimenten, Gravitationswellenmessungen und anderen astronomischen Beobachtungen mit theoretischen Erkenntnissen kombiniert. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

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, Hauptautorin der Veröffentlichung. Peter T. H. Pang, ein weiterer Hauptautor vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht, fügte hinzu: „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.“

„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“, sagt 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 Forschenden 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. 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 unser 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 dieses 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“, sagt Tim Dietrich.

Link zur Publikation: Sabrina Huth, Peter T. H. Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin, Chris Van Den Broeck: „Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions“, Nature, 2022, DOI 10.1038/s41586-022-04750-w, https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w

Abbildung: Künstlerische Darstellung einer numerisch-relativistischen Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne mit einem Bild der bei einer Goldionen-Kollision entstandenen Teilchen. Bildrechte: T. Dietrich (UP/AEI), A. Le Fevre (GSI), K. Huyser (NIKHEF), Hintergrund: ESA/Hubble, Sloan Digital Sky Survey

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

Link zur Pressemeldung AEI:
https://www.aei.mpg.de/921909/combination-of-heavy-ion-experiments-astronomy-and-theory-offers-new-insights

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Autor

Albert-Einstein-Institut Potsdam (AEI)

Online-Redaktion

Sabine Schwarz