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Dem Rätsel der Neutronensterne auf der Spur

10.03.2015

Bisher ist es noch nicht gelungen, die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Gravitationswellen zu messen. Sie sind so schwach, dass sie im Rauschen der Messungen untergehen. Doch Dank neuester Simulationen der Verschmelzung besonders massereicher Neutronen-Doppelstern-Systeme ist jetzt die Struktur der gesuchten Signale bekannt. Wie ein deutsch-japanisches Team Theoretischer Astrophysiker in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review D“ berichtet, besitzen Gravitationswellen ein charakteristisches Spektrum, ähnlich den Spektrallinien von Atomen.

Gravitationswellen entstehen bei der Beschleunigung von Massen. Erste indirekte Hinweise auf ihre Existenz gibt es seit 1974, als der Doppelpulsar PSR B1913+16 im Sternbild Adler entdeckt wurde.


Vier Schnappschüsse von der Fusion zweier Neutronen-Sterne. Von der Annäherung bis zur Verschmelzung vergehen nur wenige Millisekunden, in denen ungeheure Massen beschleunigt werden. Die Signale der dabei theoretisch entstehenden Gravitationswellen sind jetzt in Simulationen berechnet worden.

Die beiden schnell umeinander kreisenden Neutronen-Sterne driften spiralförmig aufeinander zu, was Astrophysiker dadurch erklären, dass sie Gravitationsenergie abstrahlen. Russell A. Hulse und Joseph H. Taylor erhielten für diese Entdeckung 1993 den Nobelpreis für Physik.

Inzwischen gibt es mehrere großangelegte Experimente zur Detektion von Gravitationswellen: das US-amerikanische LIGO-Experiment, das europäische Virgo-Experiment und den japanischen KAGRA-Detektor. Fachleute rechnen damit, innerhalb der nächsten fünf Jahre Signale von Gravitationswellen aus fusionierenden Neutronen-Doppelstern-Systemen aufzuspüren.

“Diese Signale zu entdecken wird nicht einfach sein, weil sie eine extreme kleine Amplitude haben. Aber trotz dieser erschwerten Bedingungen ist es möglich, sie zu finden, wenn sie im Voraus bekannt sind“, erklärt Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität.

Gemeinsam mit einem japanischen Kollegen von der Universität Osaka hat er eine Reihe von Neutronen-Doppelstern-Systemen mithilfe von neuesten Simulationstechniken untersucht und herausgefunden, dass beim Verschmelzen der Sterne charakteristische Gravitationswellen-Spektren entstehen.

„Diese Spektren entsprechend den elektromagnetischen Spektrallinien, die von Atomen oder Molekülen emittiert werden. Wir können daraus Informationen über die Eigenschaften der Sterne gewinnen“, erklärt Rezzolla.

Wie die Astrophysiker in zwei inhaltlich zusammen gehörenden Publikationen in "Physical Review Letters“ (erschienen im November 2014) und in der aktuellen Ausgabe von „Physical Review D“ zeigen, ist das Spektrum der Gravitationswellen wie ein Fingerabdruck der beiden Sterne. Lernt man, ihn zu interpretieren, weiß man, woraus die Sterne bestehen und kann ihre bisher noch unbekannte Zustandsgleichung aufstellen.

Zustandsgleichungen beschreiben die thermodynamischen Eigenschaften von Systemen in Abhängigkeit von Größen wie Druck, Temperatur, Volumen oder Teilchenzahl. Dazu Rezzolla: „Das ist eine sehr aufregende Möglichkeit, denn wir könnten damit ein seit 40 Jahren ungelöstes Rätsel lösen: Woraus bestehen Neutronen-Sterne und was ist ihre stellare Struktur?“

“Wenn das Signal stark und damit der Fingerabdruck sehr deutlich wäre, würde sogar eine einzige Messung ausreichen”, schätzt Rezzolla. „Die Aussichten, das Rätsel der Neutronensterne zu lösen, waren nie so gut. Schon jetzt sind die Gravitationswellen, die wir hoffentlich in einigen Jahren entdecken werden, von den entferntesten Enden des Universums zu uns unterwegs.“

Publikation:
K. Takami, L. Rezzolla, and L. Baiotti, Constraining the Equation of State of Neutron Stars from Binary Merger, Phys. Rev. Lett. 113, 091104 (2014).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.091104

K. Takami, L. Rezzolla, and L. Baiotti, Spectral properties of the post-merger gravitational-wave signal from binary neutron stars, Phys. Rev. D. 113, 091104 (2015), 2. März 2015.

Informationen: Prof. Luciano Rezzolla, Institut für Theoretische Physik, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798-47871, rezzolla@th.physik.uni-frankfurt.de.

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 gegründet mit rein privaten Mitteln von freiheitlich orientierten Frankfurter Bürgerinnen und Bürgern fühlt sie sich als Bürgeruniversität bis heute dem Motto "Wissenschaft für die Gesellschaft" in Forschung und Lehre verpflichtet. Viele der Frauen und Männer der ersten Stunde waren jüdische Stifter. In den letzten 100 Jahren hat die Goethe-Universität Pionierleistungen erbracht auf den Feldern der Sozial-, Gesellschafts- und Wirtschaftswissenschaften, Chemie, Quantenphysik, Hirnforschung und Arbeitsrecht. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein einzigartiges Maß an Eigenständigkeit. Heute ist sie eine der zehn drittmittelstärksten und drei größten Universitäten Deutschlands mit drei Exzellenzclustern in Medizin, Lebenswissenschaften sowie Geisteswissenschaften."

Herausgeber: Die Präsidentin
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Redaktion: Dr. Anne Hardy, Referentin für Wissenschaftskommunikation Theodor-W.-Adorno-Platz 1, 60323 Frankfurt am Main Telefon (069) 798 – 1 24 98, Telefax (069) 798 – 763 12531, E-Mail hardy@pvw.uni-frankfurt.de
Internet: www.uni-frankfurt.de

Dr. Anke Sauter | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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