SIMULATIONEN
Wie groß sind Neutronensterne?
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien
astronews.com
5. Dezember 2017

Neutronensterne zählen zu den dichtesten Objekten im Universum. Ihre genauen Eigenschaften kennen Wissenschaftler allerdings bislang nicht. Durch die Kombination der aktuellen Gravitationswellenbeobachtungen mit speziellen Simulationen ist es Wissenschaftlern nun gelungen, die Größe dieser Sterne genauer einzugrenzen.

Simulation einer Neutronenstern-Verschmelzung. Oben: Der nach der Verschmelzung entstandene Stern kollabiert direkt zum Schwarzen Loch. Unten: Ein zumindest vorübergehend stabiler Stern entsteht.  Bild: Andreas Bauswein, HITS [Gesamtansicht]

Wenn ein massenreicher Stern stirbt, zieht sich dessen Kern zusammen. In einer gewaltigen Supernova-Explosion werden dabei die äußeren Sternhüllen abgestoßen, zurück bleibt ein ultra-kompakter Neutronenstern oder aber ein Schwarzes Loch. Die LIGO- und Virgo-Observatorien konnten kürzlich zum ersten Mal eine Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachten und die Masse der verschmelzenden Sterne messen. Zusammen hatten die Neutronensterne eine Masse von 2,74 Sonnen.

Anhand dieser Beobachtungsdaten konnte ein internationales Team von Wissenschaftlern aus Deutschland, Griechenland und Japan unter der Federführung von Astrophysiker Dr. Andreas Bauswein vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien nun mithilfe von Computer-Simulationen die Größe von Neutronensternen eingrenzen. Die Berechnungen legen nahe, dass der Neutronensternradius mindestens 10,7 Kilometer sein müsse.

Bei Neutronenstern-Kollisionen umkreisen sich erst zwei Neutronensterne, um schließlich zu verschmelzen und schlagartig einen neuen Stern mit ungefähr der doppelten Masse zu bilden. Bei diesem kosmischen Ereignis werden Gravitationswellen - Schwingungen der Raumzeit - ausgesandt, deren Stärke mit den Massen der Sterne zusammenhängt. Dies ähnelt einem ins Wasser geworfenen Stein, der Oberflächenwellen erzeugt. Je schwerer der Stein, umso höhere Wellen entstehen.

Die Wissenschaftler simulierten für die kürzlich gemessenen Massen verschiedene Verschmelzungsszenarien, um die Größe der Neutronensterne zu berechnen. Dazu verwendeten sie verschiedene Modelle von Neutronensternmaterie, sogenannte Zustandsgleichungen, die den genauen Aufbau von Neutronensternen zu erklären versuchen. Im Anschluss überprüfte das Wissenschaftlerteam, ob die berechneten Szenarien mit den Beobachtungen übereinstimmen.

Die Schlussfolgerung: Alle Modelle, die zu einem Kollaps der verschmolzenen Neutronensterne führen, können ausgeschlossen werden. Denn ein Kollaps führt zur Bildung eines Schwarzen Lochs, was wiederum bedeutet, dass bei der Verschmelzung relativ wenig Licht ausgesendet wird. Verschiedene Teleskope haben jedoch am Ort der Sternenkollision ein helles Lichtsignal beobachtet, was eindeutig gegen einen Kollaps spricht. Die Ergebnisse schließen damit eine Reihe zuvor aufgestellter Modelle von Neutronensternmaterie aus, und zwar alle Modelle, die einen Neutronensternradius kleiner als 10,7 Kilometer vorhersagen.

Der innere Aufbau von Neutronensternen ist nach wie vor nicht genau bekannt. Die Radien sowie die Zusammensetzung im Inneren von Neutronensternen sind nicht nur für Astrophysiker, sondern auch für Kern- und Teilchenphysiker von besonderem Interesse. Denn der innere Aufbau der Sterne spiegelt die Eigenschaften hochdichter Kernmaterie wider, wie sie sich in jedem Atomkern der uns bekannten Materie befindet.

Neutronensterne haben zwar eine etwas größere Masse als unsere Sonne, ihr Radius beträgt aber lediglich wenige Kilometer. Damit vereinigen die Sterne eine große Masse auf kleinstem Raum, was zu extremen Bedingungen im Innersten der Sterne führt. Diesen Bedingungen im Inneren spüren Forscher schon seit längerem nach und wollen insbesondere den Radius der Sterne besser eingrenzen, da dieser von den unbekannten Eigenschaften hochdichter Materie abhängt. Diese aktuelle Messung sowie die neuen Berechnungen helfen Theoretikern, die Eigenschaften von hochdichter Materie in unserem Universum besser zu verstehen.

Die jetzt veröffentlichte Studie, so die beteiligten Forscher, würde einen erheblichen wissenschaftlichen Fortschritt darstellen, da sich damit ein Teil der theoretischen Modelle ausschließen ließ. Es gibt jedoch noch eine Mehrzahl von anderen Modellen mit Neutronensternradien von mehr als 10,7 Kilometern. Die Wissenschaftler konnten mit ihrer Arbeit jedoch auch zeigen, dass jede weitere Beobachtung einer Neutronensternverschmelzung die Messung weiter verbessert.

Die LIGO- und Virgo-Observatorien haben gerade erst mit ihren Messungen begonnen, zudem wird die Empfindlichkeit der Messinstrumente in den nächsten Jahren weiter steigen und noch bessere Beobachtungsdaten liefern. "Wir gehen davon aus, dass schon bald weitere Neutronenstern-Kollisionen beobachtet werden und die Beobachtungsdaten dieser Ereignisse mehr über den inneren Aufbau der uns bekannten Materie verraten", resümiert Bauswein.

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in den Astrophysical Journal Letters erschienen ist.