Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Signale von seltsamen Sternleichen

02.02.2010
Astrophysiker berechnen, wie man Neutronensterne aus ungewöhnlicher Materie aufspüren könnte

Neutronensterne zählen zu den faszinierendsten Objekten im Universum. In den nur zehn Kilometer großen Überresten kollabierter, massereicher Sterne herrscht eine so hohe Dichte, dass ein Fingerhut von "Neutronensternstoff" auf der Erde hundert Millionen Tonnen wiegen würde.


Kosmische Katastrophe am Computer: Zwei Sterne aus seltsamer Quarkmaterie verschmelzen nach rascher Annäherung zu einem sehr schnell rotierenden Superstern, der nach einer kurzen Zeit heftiger Vibrationen schließlich zum Schwarzen Loch kollabieren wird. Anders als bei Neutronensternen bilden sich sehr dünne Spiralarme aus, deren Struktur mit den besonderen Eigenschaften der Quarkmaterie zusammenhängt. Von den Enden dieser Spiralarme werden Klümpchen seltsamer Materie in den interstellaren Raum injiziert und sollten mit der kosmischen Strahlung auch die Erde erreichen. A. Bauswein et al. / Visualisierung: Markus Rampp, Rechenzentrum Garching

Der Zustand der Materie im Innern dieser Exoten ist ungeklärt. Jetzt haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Astrophysik zusammen mit Kollegen der Universitäten in Frankfurt, Heidelberg und Jena am Computer die Kollision von zwei Neutronensternen nachgestellt. Die dabei entstehenden Signale könnten helfen, das Rätsel zu lösen. (Physical Review D 81, 2010 und Physical Review Letter 103, 2009)

Die Kerne der Atome, aus denen die uns vertraute Materie besteht, setzen sich aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen zusammen. Diese wiederum sind aus noch fundamentaleren Bausteinen, den Quarks, aufgebaut. In Neutronen und Protonen (Nukleonen) kommen lediglich die zwei leichtesten der sechs bekannten Arten von Quarks vor: die up- und down-Quarks. Um die anderen Quarks auf der Erde zu erzeugen, benötigen Physiker große Beschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Teilchenforschungslabor CERN nahe Genf.

Allerdings ist nicht ausgeschlossen, dass es im heutigen Weltall auch noch Quarks einer anderen Familie gibt, die strange-Quarks. Die "seltsamen" Teilchen sind deutlich schwerer als ihre Verwandten vom up- und down-Typ und zerfallen normalerweise sofort in diese energetisch günstigeren Quarks. Bei hohen Dichten können Objekte aber nicht aus up- und down-Quarks allein bestehen, sondern sie enthalten auch strange-Quarks. Solche Objekte wären aufgrund ihres niedrigen Energiezustands stabiler als Atomkerne. Es könnte sie in winzigen Klümpchen aus wenigen hundert Nukleonen geben, die mit der kosmischen Strahlung durch das Weltall fliegen und wegen ihrer Kleinheit "strangelets" genannt werden.

Seltsame Quarks könnten außerhalb der Teilchenlabore nur im Innern von Neutronensternen entstehen, die als extrem kompakte Überreste beim Gravitationskollaps von Sternen zurückbleiben. Solche Sternleichen wären dann gar keine Neutronensterne im engeren Sinn, sondern "seltsame Sterne" (strange stars). Diese kosmischen Exoten hätten etwa die 1,5-fache Masse unserer Sonne und einen Radius von rund zehn Kilometern (Sonnenradius: 695.700 Kilometer). Bei gleicher Masse wären sie noch kompakter als Neutronensterne, was ein charakteristisches Merkmal zu ihrer Identifizierung sein könnte. Denn im Gegensatz zu Neutronensternen wäre ihre Materie nicht nur durch Gravitationskräfte gebunden, sondern durch die starke Wechselwirkung der Quarks - weshalb seltsame Sterne viel schärfere Oberflächen hätten.

Astronomen suchen intensiv nach solchen seltsamen Sternen. Ihre Entdeckung wäre eine Sensation, würde sie doch bedeuten, dass es den stabilen, exotischen Grundzustand von Materie aus seltsamen Quarks tatsächlich gibt. Leider gestaltet sich die Fahndung sehr schwierig, weil die Forscher bisher nur bei wenigen Neutronensternen in Doppelsystemen die Massen genau messen und die Radien nur ungenau und unter unsicheren theoretischen Annahmen bestimmen konnten.

Ein Team aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik und der Universität Jena sowie Kernphysikern der Universitäten in Frankfurt und Heidelberg zeigt nun einen anderen Weg, wie man die exotischen Sterne aufspüren könnte. Dazu untersuchten die Forscher mit Computermodellen die messbaren Signale, die bei der Kollision zweier Sterne aus seltsamer Materie in einem Doppelsystem erzeugt werden. Doppelsterne leben nicht ewig. Sie strahlen als bewegte Massen nach Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie Gravitationswellen ab - Schwingungen der Raumzeit, die sich wellenartig ausbreiten. Dabei verlieren die sich umkreisenden Sterne allmählich Energie. Deshalb schrumpft ihr Abstand stetig, sodass sie immer schneller umeinander wirbeln. Die Gravitationswellenabstrahlung steigt ständig weiter, bis die Sterne in einer finalen Katastrophe ineinander stürzen.

Wenn das passiert, kommt es zu einem heftigen Ausbruch von Gravitationswellen. Er klingt ab, wenn der aus der Sternverschmelzung hervorgegangene, wild vibrierende und superschwere Körper langsam zur Ruhe kommt und schließlich zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Die Modellrechnungen des Physikerteams zeigen nun, dass eine ganze Reihe von Eigenschaften des Gravitationswellensignals sich dazu eignen, gewöhnliche Neutronensterne von seltsamen zu unterscheiden. Weil seltsame Quarksterne kompakter sind als Neutronensterne, haben ihre Schwingungen und die abgestrahlten Gravitationswellen tendenziell höhere Frequenzen - ähnlich wie eine kleine Glocke einen helleren Ton erzeugt als eine große.

Die kosmischen Kollisionen von zwei Sternen aus Neutronen oder seltsamer Materie sollten sich nach Schätzungen der Astrophysiker in Galaxien wie der Milchstraße im optimistischen Fall einmal alle 10.000 Jahre ereignen. Das ist natürlich viel zu selten, um es in unserer eigenen Welteninsel zu erwarten. Allerdings werden die großen Gravitationswellenantennen - etwa das vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik betriebene GEO600-Instrument bei Hannover oder das LIGO-Experiment in den USA - in wenigen Jahren so weit aufgerüstet sein, dass sie die schwachen Signale auch aus dem Virgo-Galaxienhaufen in 65 Millionen Lichtjahren Entfernung auffangen können, wo sich Tausende von Galaxien tummeln.

Aber selbst dann wird für eine solche Gravitationswellenmessung ein bisschen Glück nötig sein. Gut daher, dass die Ergebnisse des Forscherteams eine weitere interessante Möglichkeit aufzeigen. Die kosmischen Sternkollisionen schleudern nämlich Materie in die stellare Umgebung. Falls die aufeinander prallenden seltsamen Sterne nicht zu kompakt sind, können so etliche Erdmassen als kleine Klümpchen seltsamer Quarkmaterie in die den Weltraum durchflutende kosmische Teilchenstrahlung injiziert werden.

Mit einem im kommenden Jahr auf der Internationalen Raumstation (ISS) geplanten Experiment, dem Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), wollen die Forscher nach solchen exotischen Bestandteilen der kosmischen Strahlung fahnden. Sollte AMS-02 die strangelets finden, wäre die erhoffte Sensation perfekt. Aber selbst wenn dies ausbleibt, lassen sich mittels der Berechnungen der Astro- und Kernphysiker den Messungen noch nützliche Informationen über die Eigenschaften möglicher Quarksterne entlocken. In jedem Fall wird daher die Spannung steigen, wenn das neue Experiment auf den Weg zur ISS geht.

Originalveröffentlichung:

Bauswein A., Oechslin R., Janka H.-Th.
Discriminating strange star mergers from neutron star mergers by gravitational-wave measurements

Physical Review D 81, 024012 (2010)

Bauswein A., Janka H.-Th., Oechslin R., Pagliara G., Sagert I., Schaffner-Bielich J., Hohle M.M., Neuhäuser R.
Mass ejection by strange star mergers and observational
Physical Review Letters 103, 011101 (2009)
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Hannelore Hämmerle (Pressesprecherin)
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Tel.: +49 89 30000-3980
E-Mail: hannelore.haemmerle@mpe.mpg.de
Dr. Hans-Thomas Janka
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Tel.: +49 89 30000-2228
E-Mail: hjanka@mpa-garching.mpg.de
Andreas Bauswein
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Tel.: +49 89 30000-2236
E-Mail: abauswein@mpa-garching.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de
http://geo600.aei.mpg.de/
http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-2448/3635_read-5500/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp
18.10.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Lumineszierende Gläser als Basis neuer Leuchtstoffe zur Optimierung von LED
17.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics