Internationales Projekt zur Verschmelzung von Neutronensternen
Forschende der FSU und der Penn State untersuchen Multimessenger-Daten von kompakten Sternresten mit numerischer Relativitätstheorie.
Wenn Schwarze Löcher und Neutronensterne aufeinander zu spiralen, erzittert die Raumzeit: Die Verschmelzung dieser Himmelskörper setzt nicht nur riesige Energiemengen frei, die sich als Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum ausbreiten und von Gravitationswellenobservatorien wie LIGO und Virgo – und in Zukunft auch mit dem Einstein-Teleskop – erfasst werden können. Bei den Kollisionen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern wird zudem Materie ins All geschleudert, was elektromagnetische Strahlung wie Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und sichtbares Licht erzeugt. Diese kann von bodengestützten Observatorien wie dem Very Large Telescope der ESO und von weltraumgestützten Observatorien wie dem James Webb Space Telescope der NASA erfasst werden.
Sowohl die Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung der Neutronensternverschmelzung enthalten Informationen über die extremen physikalischen Zustände, die sich auf der Erde selbst nicht reproduzieren lassen. Ein Beispiel dafür ist der noch immer unbekannte Ursprung Seltener Erden oder von Metallen wie Gold im Universum, die wahrscheinlich während solcher Verschmelzungen entstehen.
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„Voraussetzung für solche grundlegenden Entdeckungen ist, dass wir die Informationen in den Gravitationswellen und der elektromagnetischen Strahlung lesen und richtig interpretieren können“, sagt Sebastiano Bernuzzi von der Universität Jena. Zwar können die unterschiedlichen Signale inzwischen zusammen empfangen werden. Sie umfassend zu analysieren, bleibt jedoch eine Herausforderung, erklärt der Professor für Theoretische Physik und Gravitationstheorie.
Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der US-amerikanischen Pennsylvania State University hat Bernuzzi ein neues Forschungsprojekt gestartet, das genau hier ansetzt: Das Projekt „Multimessenger Astronomy of Neutron Star Mergers with Numerical Relativity“ soll den theoretischen Rahmen entwickeln, der für die Interpretation zukünftiger Beobachtungen notwendig ist. Das Projekt wird im Rahmen des Förderprogramms „NSF-DFG Funding Opportunity for Collaborations in Physics“ durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Uni Jena mit rund 300.000 Euro gefördert.
Ein wesentlicher Bestandteil des Projekts ist der Aufbau einer öffentlich zugänglichen Datenbank mit etwa eintausend Simulationen von Neutronenstern- und Schwarzer-Loch-Neutronenstern-Verschmelzungen. Die Forschenden wollen die verschiedenen Bedingungen von Sternverschmelzungen untersuchen. Beispielsweise wollen sie herausfinden, welche Massen die kollidierenden Objekte haben und ob sie überwiegend aus „traditionellen” Teilchen wie Protonen und Neutronen oder eher aus „exotischen” Teilchen wie Quarks bestehen. Simulationsdaten und Modelle werden eine theoretische Grundlage für die Interpretation künftiger Beobachtungen solcher Ereignisse liefern. So werden beispielsweise Vorhersagen darüber möglich sein, wie viel Materie von Doppelsternen mit unterschiedlichen Massen ausgestoßen wird, welche Eigenschaften die verschmelzenden Objekte haben und welche charakteristischen Signaturen in den Gravitationswellen zu finden sind.
Im Rahmen des Projekts werden Doktorandinnen und Doktoranden in den Bereichen relativistische Astrophysik, numerische allgemeine Relativitätstheorie, Strömungsmechanik, Hochleistungsrechnen und maschinelles Lernen ausgebildet. „Das Team und das Projekt werden erheblich von der sich ergänzenden Expertise der beiden Gruppen profitieren”, erwartet Prof. Bernuzzi. „Darüber hinaus ermöglichen die Fördermittel den Austausch von Masterstudierenden zwischen den beiden Universitäten. Bachelorstudierende haben so die großartige Gelegenheit, verschiedene Forschungsumgebungen und Lebensweisen kennenzulernen.“ [FSU / dre]
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07743 Jena
Deutschland
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