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Signale von sterbenden Doppelsternen

11.11.2014

Wenn ein Neutronenstern um ein schwarzes Loch kreist, trudelt es in einer spiralförmigen Bewegung unweigerlich darauf zu, bis die beiden Systeme verschmelzen. Dabei senden sie Strahlung aus, die Gravitationswellen. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung Frankfurter Astrophysiker hat jetzt herausgefunden, dass es theoretisch möglich ist, aus diesen Messungen Informationen über die Expansion des Universums zu gewinnen.

Weltweit bemühen sich Wissenschaftler, die Strahlung astronomischer Quellen mit Kilometer langen Laser-Interferometern nachzuweisen, etwa im amerikanischen LIGO-Observatorium und mit dem französisch-italienischen Virgo-Experiment. Am wahrscheinlichsten ist es, dass LIGO und Virgo Strahlung aus Doppelsystemen messen, die aus einem Neutronenstern und einem schwarzen Loch bestehen.

Diese verlieren seit vielen hundert Millionen Jahren Energie in Form von Gravitationsstrahlung. Forscher erwarten, dass die beiden Experimente zumindest die Strahlung messen können, die in den letzten 15 Minuten vor der Verschmelzung frei wird.

Es ist seit langem bekannt, dass verschmelzende Doppelsternsysteme ideale Standard-Kerzen sind, um die Abstände von Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien präzise zu messen. Will man die Expansionsrate des Universums bestimmen sowie die darin enthaltene dunkle Energie und dunkle Materie, genügt es jedoch nicht, nur den Abstand der Quelle zu kennen.

Man muss auch wissen, wie schnell sie sich von uns entfernt. Astronomen ermitteln das aus der kosmologischen Rotverschiebung der von der Quelle ausgesandten Strahlung. Bis vor kurzem glaubte man, dass man die Rotverschiebung nicht allein aus der Messung der Gravitationswellen bestimmen kann. Nun haben die Frankfurter Forscher Luciano Rezzolla und Kentaro Takami zusammen mit Kollegen aus Glasgow, Cardiff und den USA gezeigt, dass dies doch möglich ist.

Um die Dynamik solcher der Doppelstern-Systeme exakt modellieren und die ausgesandte Gravitationsstrahlung berechnen zu können, verwendeten die Physiker innovative numerische Simulationen, die einige Monate laufen auf modernsten Hochleistungsrechnern. Dank dieser hochgradig exakten Simulationen konnten die Forscher charakteristische Frequenzen in dem Signal der Gravitationswelle des verschmolzenen Objekts, des hyper-massiven Neutronensterns, identifizieren.

In einer kürzlich in der renommierten Zeitschrift Physical Review „X“ erschienenen Veröffentlichung haben sie gezeigt, dass die Messung der charakteristischen Frequenzen vor und nach der Verschmelzung zusammen mit dem Wissen über die Werte aus der Simulation es ermöglichen, die Rotverschiebung direkt aus den Beobachtungen abzuleiten. Damit haben sie erstmals gezeigt, dass es für das Signal nach der Verschmelzung eine kosmologische Anwendung gibt.

Dazu Rezzolla: “Wir haben gezeigt, dass es theoretisch möglich sein wird, die Rotverschiebung kosmologischer Quellen zu messen. Um dies praktisch umzusetzen, werden wir noch raffiniertere Simulationen der Fusionsdynamik von Neutronensternen benötigen. Beispielsweise kennen wir die innere Struktur von Neutronensternen bis jetzt nicht genau.

Und die müssen wir im Detail verstehen, wenn wir die Rotverschiebung aus der Beobachtung der Gravitationswellen ableiten wollen. Jedoch zeigt dieses Ergebnis, dass wir Neutronensterne auch als Standard-Kerzen verwenden können.“

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

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 2014 feiert sie ihren 100. Geburtstag. 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.“

Mehr Informationen unter www2.uni-frankfurt.de/gu100

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Dr. Anne Hardy | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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