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StartseiteForschung aktuellDer Tanz der kosmischen Schwergewichte21.03.2019

NeutronensterneDer Tanz der kosmischen Schwergewichte

Vor anderthalb Jahren gelang es, mit Hilfe von Gravitationswellen den Zusammenprall zweier Neutronensterne zu belauschen. Seitdem sind die kosmischen Schwergewichte in der Wissenschaft ein Modethema. Nun haben Forscher mit Hilfe eines Supercomputers den himmlischen Tanz der beiden Sterne in allen Details simuliert.

Von Frank Grotelüschen

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Künstlerische Darstellung des Aufeinandertreffens zweier Neutronensterne (imago stock&people)
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17. August 2017, 14:41 Uhr. Kilometerlange Laserantennen in Italien und den USA registrieren eine wissenschaftliche Sensation: eine Gravitationswelle, ein schwaches Zittern der Raumzeit, hervorgerufen durch ein kosmisches Gewaltereignis. Zwei Neutronensterne – sehr kompakte, aber massereiche Sternleichen – hatten sich immer schneller umkreist, um dann zusammenzuprallen und zu einem Himmelskörper zu verschmelzen. Ein Bewegungsablauf, der den Frankfurter Physiker Matthias Hanauske an eine Abfolge verschiedener Tänze erinnert. Es beginnt mit einem Wiener Walzer.
 

"Das ist die Phase, wo die beiden Neutronensterne noch getrennt voneinander sind. Jeder einzelne Neutronenstern rotiert um die eigene Achse. Aber die beiden Neutronensterne kreisen auch umeinander. Es ist, wie wenn zwei Personen getrennt voneinander einen Wiener Walzer tanzen."

Dann kommen sich die beiden näher. Immer schneller umkreisen sie sich.

"Dann gibt es einen Zeitpunkt, wo die sich treffen, wo sich die Tanzpartner die Hände geben. Das System kreist umeinander, aber schwingt hin und her. Das kann man gut mit dem Discofox beschreiben."

Die Details entzogen sich den Messungen

Ein wilder Tanz, in Wirklichkeit dauert er kaum länger als fünf Millisekunden. Anschließend geht es noch intimer zu – und noch flotter.

"Die beiden sind sehr eng miteinander und kreisen sehr, sehr schnell um die eigene Achse. Das ist der Merengue-Tanz."

Ein unterhaltsames Bild des kosmischen Spektakels, das Hobbytänzer Hanauske da zeichnet. Nur: Ob es in allen Details stimmt, ist noch unklar, denn:

"Man konnte eigentlich nur die letzte Phase von der Wiener-Walzer-Phase messen. Die anderen Phasen, diese wilde Discofox-Phase oder die Merengue-Phase, konnte man nicht wahrnehmen."

Dafür waren die Gravitationswellen-Detektoren im August 2017 noch nicht empfindlich genug. Also hat Hanauske mit anderen Physikern das fehlende Geschehen simuliert, und zwar auf einem Supercomputer. Das Resultat hat das Team nun veröffentlicht. Demnach verschmelzen die beiden Neutronensterne kurzzeitig zu einem größeren, einem sogenannten hypermassiven Neutronenstern.

Ein Kern aus heißen Quarks

"Während dieser Phase wird die Dichte im Inneren dieses hypermassiven Neutronensterns sehr groß. Das sind Dichtebereiche von drei- vier-, fünffacher Kerndichte. Gleichzeitig heizt sich die Materie sehr auf."

Der verschmolzene Neutronenstern ist zwar hypermassiv, aber kaum größer als 10 bis 20 Kilometer. In seinem Kern herrschen derart extreme Drücke und Temperaturen, dass etwas Unerhörtes passiert:

"Da bildet sich im Inneren ein ganz heißer Quark-Kern aus. Der innere Bereich von zwei Kilometern im Inneren sind freie Quarks, die wahnsinnig schnell rumflitzen."

Neue Messungen sollen die Simulationen überprüfen

An sich besteht ein Neutronenstern vor allem aus Neutronen, das sind winzige Kernteilchen. Jedes Neutron setzt sich aus drei Quarks zusammen, den elementaren Bausteinen der Natur. Quarks aber – so wollen es die Grundgesetze der Physik – dürfen eigentlich nie alleine vorkommen, sondern nur zu zweit oder zu dritt. Es sei denn, die Bedingungen sind extrem, so wie bei einer Neutronenstern-Kollision.

"Wenn die Dichte im Inneren dieser Sterne sehr dicht wird, werden die Neutronen so eng zueinander gedrückt, dass die innere Struktur dieser Neutronen – die Quarks – plötzlich frei werden."

Schon bald könnte sich herausstellen, wie gut die neue Computersimulation ist. In wenigen Wochen sollen die Gravitationswellen-Detektoren wieder auf Empfang gehen, diesmal mit höherer Empfindlichkeit. Mit etwas Glück könnten sie dann, sollten sie wieder eine Neutronenstern-Kollision belauschen, nicht nur den Wiener Walzer mitkriegen, sondern auch Discofox und Merengue-Tanz.

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