SIMULATIONEN
Die Geburt eines Neutronensterns
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
astronews.com
28. Juni 2013

Mit den bislang aufwendigsten Computersimulationen gelang es Astronomen jetzt, die komplizierten Vorgänge bei der Entstehung von Neutronensternen im Zentrum kollabierender Sterne mit zuvor nicht erreichter Genauigkeit zu berechnen. Sie benötigten dafür zwei der leistungsfähigsten verfügbaren Großrechner und eine Rechenzeit von rund 150 Millionen Prozessorstunden.

Die Entwicklung eines Neutronensterns in der Simulation. Zu sehen ist ein Schnappschuss 0,245 Sekunden nach Beginn der Neutronensternbildung. In charakteristischen pilzartigen Blasen "kocht" neutrinogeheiztes Gas, während die "SASI" Instabilität gleichzeitig wilde Pulsationen und Drehbewegungen der gesamten geheizten Materieschicht (rot) und der einhüllenden Supernovastoßwelle (blau) verursacht. Bild: MPA / Elena Erastova und Markus Rampp, RZG

Sterne mit mehr als der acht- bis zehnfachen Masse unserer Sonne beenden ihr Leben in einer gewaltigen Explosion, bei der das stellare Gas mit ungeheurer Wucht in den umgebenden Raum geschleudert wird. Solche Supernova-Explosionen gehören zu den energiereichsten und hellsten Phänomenen im Universum und können für Wochen die Strahlkraft einer ganzen Galaxie erreichen.

Sie sind der kosmische Ursprungsort chemischer Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Eisen, aus denen unsere Erde und unser Körper bestehen, und welche in massereichen Sternen über Jahrmillionen erbrütet oder bei der Sternexplosion frisch erzeugt werden.

Supernovae sind aber auch die Geburtsstätten von Neutronensternen, jener höchst exotischen, kompakten "Sternleichen", in denen rund die eineinhalbfache Masse der Sonne auf die Größe einer Kugel mit dem Durchmesser Münchens zusammengequetscht wird. Dies geschieht in Bruchteilen einer Sekunde, wenn der stellare Kern unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft in sich zusammenfällt und seine katastrophale Implosion erst dann gestoppt wird, wenn die Dichte von Atomkernmaterie - gigantische 300 Millionen Tonnen im Volumen eines Zuckerwürfels - überschritten wird.

Aber was verursacht den Supernova-Ausbruch des Sterns? Wie kommt es zur Umkehr seiner Implosion zu einer Explosion? Die genauen Vorgänge, die sich hierbei abspielen, sind immer noch Gegenstand intensiver Forschung. Neutrinos, mysteriöse Elementarteilchen, die bei den extremen Temperaturen und Dichten im kollabierenden stellaren Kern und entstehenden Neutronenstern in riesiger Zahl erzeugt und abgestrahlt werden, sind der gängigsten Vorstellung zufolge daran entscheidend beteiligt.

Wie die Wärmestrahlung eines heißen Heizkörpers heizt die Neutrinostrahlung das den heißen Neutronenstern umgebende stellare Gas und könnte so die Explosion des Sterns "zünden". Nach dieser Vorstellung würden die Neutrinos so lange Energie ins stellare Gas pumpen und Druck aufbauen, bis eine Stoßwelle den Stern in einer Supernova zerreißt.

Doch funktioniert dieses theoretische Modell? Ist dies die Erklärung für den immer noch rätselhaften Mechanismus hinter der Sternexplosion? Die Prozesse im Zentrum explodierender Sterne lassen sich weder im Labor nachmachen, noch kann man sie im tiefen Inneren des Sterns, verborgen von vielen Sonnenmassen dichten stellaren Gases, direkt beobachten. Die Forschung ist daher auf extrem aufwendige Computermodelle angewiesen, in denen die komplizierten mathematischen Gleichungen gelöst werden, mit denen die Bewegung des Sterngases und die Physik bei den extremen Temperaturen und Dichten im kollabierenden stellaren Kern beschrieben werden.

Eingesetzt werden dabei die leistungsstärksten existierenden Supercomputer und dennoch konnten bis vor kurzem solche Berechnungen nur mit groben Vereinfachungen durchgeführt werden. Wollte man zum Beispiel die entscheidenden Effekte der Neutrinos genau berechnen, konnte dies bestenfalls in zwei Raumdimensionen geschehen, was bedeutet, dass für den Stern in den Computermodellen eine künstliche Rotationssymmetrie um eine Achse angenommen wurde.

Mit einem durch Unterstützung von Experten am Rechenzentrum Garching verbesserten, besonders effizienten und schnellen Computerprogramm, den leistungsstärksten verfügbaren Supercomputern und einer Rechenzeit von rund 150 Millionen Prozessorstunden, dem größten jemals von der "Partnership for Advanced Computing in Europe" Initiative der Europäischen Union vergebenen Kontingent, konnte ein Team von Forschern am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching die Abläufe in kollabierenden Sternen nun erstmals in den drei natürlichen Raumdimensionen im Detail simulieren.

"Dabei benutzten wir fast 16.000 Prozessorkerne im Parallelbetrieb, und dennoch benötigte eine einzige Modellrechnung rund 4,5 Monate", sagt der Doktorand Florian Hanke, der die Simulationen durchführte. Nur zwei Rechenzentren in Europa konnten hierfür hinreichend leistungsfähige Supercomputer für so lange Zeiträume zur Verfügung stellen, nämlich die Rechner CURIE am Très Grand Centre de calcul du CEA bei Paris und SuperMUC am Leibniz-Rechenzentrum in München/Garching.

Was sich dabei nach Auswertung und Visualisierung der produzierten vielen Terabytes von Zahlenkolonnen den Forschern offenbarte, versetzte das Team in Staunen und Aufregung. Das stellare Gas zeigt nicht nur das durch die Neutrinoheizung erwartete wilde Brodeln und Blubbern mit den dafür typischen aufsteigenden Blasen, ähnlich wie bei sprudelnd kochendem Wasser. Die Wissenschaftler sahen im Sterninneren zusätzlich auch heftige, große Schwipp-Schwapp-Bewegungen, die zeitweise sogar in schnelle, kraftvolle Rotationsbewegungen übergehen.

Ein solches Verhalten war zwar vorher bereits bekannt und hatte die Bezeichung "Akkretionsstoßinstabilität" (oder "SASI" vom englischen "Standing Accretion Shock Instability") erhalten. Diese Bezeichnung soll ausdrücken, dass die Supernovastoßwelle nicht kugelförmig bleibt, sondern starke, pulsierende Asymmetrien ausbildet, die aus kleinen Störungen oszillierend anwachsen. Dies war aber bislang nur in vereinfachten und unvollständigen Modellrechnungen beobachtet worden.

"Mein Kollege Thierry Foglizzo am Forschungsinstitut Service d' Astrophysique des CEA-Saclay bei Paris hat ein genaues Verständnis der Wachstumsbedingungen dieser Instabilität entwickelt", erklärt Hans-Thomas Janka, der Leiter der Forschergruppe. "Er hat ein Experiment konstruiert, in dem bei einem Sprung der Wasserhöhe in einem kreisförmigen Wasserfluss pulsierende Asymmetrien auftreten, ganz analog zur Stoßwelle im kollabierenden Materiestrom um das Supernovazentrum."

Anhand dieses "SWASI" ("Shallow Water Analogue of Shock Instability") genannten Phänomens lassen sich dynamische Vorgänge im tiefen Innern eines sterbenden Sterns in vereinfachter Form anhand eines preiswerten Tischexperiments nachvollziehen, freilich ohne die wichtigen Effekte des Neutrinoheizens. Daher zweifelten viele Wissenschaftler trotzdem am Auftreten dieser Instabilität im Innern von kollabierenden Sternen.

Die Garchinger Forschergruppe konnte nun erstmals zweifelsfrei zeigen, dass die Instabilität auch in den bislang realistischsten Computermodellen eine bedeutende Rolle spielt. "Sie dirigiert nicht nur die Materiebewegungen im Supernovakern, sie prägt dadurch auch den Neutrino- und Gravitationswellensignalen, die bei einer galaktischen Supernova beobachtet werden, charakteristische Signaturen auf. Außerdem macht sie die Sternexplosion extrem asphärisch, so dass der entstehende Neutronenstern eine hohe Rückstoßgeschwindigkeit und eine Eigendrehung erhält", umreißt Teammitglied Bernhard Müller die wichtigsten Konsequenzen solcher dynamischen Vorgänge im Supernovakern.

Die Forscher beabsichtigen nun, mit weiteren Modellen die messbaren Effekte der SASI genauer zu analysieren und ihre Vorhersagen entsprechender Signale zu verbessern. Auch wollen sie mit weiteren und längeren dreidimensionalen Computersimulationen verstehen, wie diese Instabilität mit dem Neutrinoheizen zusammenarbeitet und seine Wirkung verstärkt. Es soll dabei endlich geklärt werden, ob ein solches Zusammenspiel der lang gesuchte Mechanismus ist, der die Supernova auslöst und dabei den Neutronenstern als kompakten Überrest zurücklässt.