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Schummeln für die perfekte Simulation

18.01.2013
Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena beschreiben das Innere von Neutronensternen

Unsere Erde stirbt – spätestens wenn die Sonne kollabiert. Das wird in etwa sieben Milliarden Jahren der Fall sein. Im All ist Sonnen- und Planetensterben aber alltäglich und unser Sonnensystem besteht zum Teil aus den Überresten.

Am Ende massereicher Sterne, wie es Sonnen sind, stehen oft Neutronensterne. Diese „sterbenden Sterne“ weisen u. a. eine sehr hohe Dichte auf, in der die Atome extrem komprimiert sind. Solche Neutronensterne sind nicht größer als Jena, aber schwerer als unsere Sonne, verdeutlicht der Physiker PD Dr. Axel Maas von der Universität Jena und ergänzt: „Die Atomkerne sitzen dicht an dicht.“ Gegenüber den Atomkernen von Wasser sind die Neutronenstern-Atomkerne so gepackt als stünde ein Bus nur mit Fahrer einem mit 1.000 Personen überfüllten Bus gegenüber. In diesen dicht gepackten Atomkernen wirken verschiedene sogenannte „Kernkräfte“. Sie halten den Neutronenstern zusammen und am „ewigen Leben“ – und seit 35 Jahren sind die starken Kern-Wechselwirkungen eine der größten Herausforderungen der theoretischen Physik.

Axel Maas ist es jetzt gemeinsam mit drei Kollegen von den Unis Jena und Darmstadt gelungen, die starken Kern-Wechselwirkungen erstmals so zu simulieren, dass die typischen Charakteristika eines Neutronensterns erhalten bleiben, aber eine Berechenbarkeit möglich wird. „Es ist die erste Theorie für eine so dichte Packung“, freut sich der Jenaer Physiker. Denn bisher brachen die Simulationen – auch auf den stärksten Rechnern – immer wieder zusammen, wenn man das Innere des Neutronensterns bestimmen wollte. Oder die simulierten Neutronensterne wurden immer kleiner, statt ihre Gestalt zu erhalten. „Diese Simulationen funktionierten nicht, weil es zu viele Atomkerne sind“, erläutert Maas das Problem, dessen Lösung die Physikwelt nun dank der Jenaer Berechnungen wesentlich näher gekommen ist. Dafür haben die Wissenschaftler am Frankfurter Loewe-Hochleistungs-Rechenzentrum so viel gerechnet, dass ein einzelner PC rund 2.500 Jahre dafür gebraucht hätte.

„Das ursprüngliche Problem haben auch wir nicht lösen können“, gibt Axel Maas zu, da Algorithmen diese Simulationen bisher nicht darstellen können. Doch der Jenaer Physiker, der seit 2007 an dieser Fragestellung forscht, und seine Kollegen haben „ein neues qualitatives Level erreicht“. Sie ermittelten in fast einjährigen Forschungen die „erste Theorie für eine so dichte Packung“, sagt Maas, und haben so Kernmaterie simulierbar gemacht. Die Charakteristika des Neutronensterns bleiben bei der Jenaer Methode erhalten, dennoch ist die Berechenbarkeit möglich.
Gelungen ist dieser wesentliche Fortschritt dem Team dadurch, dass es die Kernkräfte intelligent modifiziert und das Stapelproblem der Atome gelöst hat. Dass sie dabei „ein wenig geschummelt haben“, geben die Physiker unumwunden zu. Dennoch, da ist sich Maas sicher: „Wir haben den kleinstmöglichen Umweg gefunden“ und wissen nun, „was relevant ist in der Originalsimulation“.

Nun steht diese neue Überprüfbarkeitsmethode für zahlreiche Fragen und Theorien zu Neutronensternen und sehr dichten Atompackungen zur Verfügung. Maas weiß schon von ersten Forschergruppen, die mit den Jenaer Erkenntnissen arbeiten und darauf aufbauen wollen. Die beteiligten Wissenschaftler sind bereits dabei, die Simulation zu vergrößern und die Ergebnisse zu überprüfen.

Resultate, die es ermöglichen, dem Inneren von Neutronensternen eine Gestalt zu geben.
Bibliographische Angaben:
Axel Maas, Lorenz von Smekal, Björn Wellegehausen, Andreas Wipf: The phase diagram of a gauge theory with fermionic baryons, Physical Review D 86, 111901 (Rapid Communication) (2012). Online ist der Beitrag bereits frei zugänglich unter: http://arxiv.org/abs/1203.5653

Kontakt:
PD Dr. Axel Maas
Theoretisch-Physikalisches Institut der Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947124
E-Mail: axel.maas[at]uni-jena.de

Axel Burchardt | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-jena.de/
http://arxiv.org/abs/1203.5653

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