Wenn Neutronensterne kollidieren

Neue Computer-Simulationen eines inter­natio­nalen Forscher­teams zeigen, dass die Eigen­schaften hoch­dichter Materie, eine entscheidende Rolle dabei spielen, ob bei der Kollision zweier Neutronen­sterne ein schwarzes Loch entsteht. Bereits in Neutronen­sternen ist Materie extrem verdichtet. Die Masse von andert­halb Sonnen ist auf den Radius von wenigen Kilometern zusammen­gedrückt. Damit entstehen ähnliche beziehungs­weise sogar noch höhere Dichten als im Innern von Atom­kernen. Verschmelzen zwei Neutronen­sterne in einem Doppel­stern­system, wird die Materie in der Kollision noch zusätzlich verdichtet. Beste Chancen also für die Entstehung eines schwarzen Lochs.

„Entscheidend ist die Masse der Neutronen­sterne“, fasst Andreas Bauswein vom GSI Helm­holtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung in Darmstadt zusammen. „Über­schreitet die Gesamt­masse des Doppel­stern­systems eine bestimmte Grenze, ist der Kollaps zum schwarzen Loch unaus­weich­lich.“ Wo genau diese Grenz­masse liegt, hängt jedoch von den Eigen­schaften hoch­dichter Kern­materie ab.

Diese Eigenschaften sind im Detail noch nicht genau bekannt und werden zum Beispiel auch in viel kleinerem Maßstab bei Kollisionen von Atom­kernen an den Beschleuniger­einrich­tungen am GSI unter­sucht. In diesen Schwer­ionen­stößen werden tatsächlich ähnliche Bedingungen wie bei Neutronen­stern­ver­schmelzungen erzeugt. Basierend auf theoretischen Über­legungen und Experi­menten mit Schwer­ionen­stößen können Zustands­gleichungen von Neutronen­stern­materie berechnet werden.

Für zahlreiche Zustands­gleichungen konnte das Team jetzt die Grenzmasse berechnen. Das Ergebnis: Lässt sich Neutronen­stern­materie beziehungs­weise Kernmaterie leicht komprimieren – ist die Materie also „weich“ –, führt schon die Kollision von relativ leichten Sternen zur Bildung eines schwarzen Loches. „Steife“, schwer kompri­mier­bare Kernmaterie dagegen kann größere Massen gegen den Gravi­ta­tions­kollaps stabili­sieren, es bildet sich nur ein sehr schwerer, rotierender Neutronen­stern als Überbleibsel der Kollision. Die Grenzmasse selbst gibt also Auskunft über die Eigen­schaften von Kernmaterie und könnte laut der neuesten Studie sogar klären, ob sich während der Kollision die Kern­bausteine in ihre Bestand­teile, die Quarks, auflösen.

„Das ist deshalb spannend, weil wir die Grenzmasse in Zukunft aus Beobachtungen ableiten können“, sagt Nikolaos Stergioulas von der Aristoteles-Universität Thessaloniki in Griechen­land. Vor wenigen Jahren wurde zum ersten Mal eine Neutronen­stern­verschmelzung mittels Gravitations­wellen beobachtet, und einige Stunden später konnten Teleskope das optische Signal der Verschmelzung finden. Bildet sich ein schwarzes Loch, ist dieses optische Signal der Kollision jedoch sehr schwach. Die Teleskop­daten verraten demnach, ob sich ein schwarzes Loch gebildet hat. Gleich­zeitig kann aus der Form des Gravitations­wellen­signals die Gesamtmasse bestimmt werden: Je stärker das Signal ist, umso schwerer waren die Sterne.

Während Gravitations­wellen­detektoren und Teleskope auf die nächste Neutronen­stern­verschmelzung warten, werden in Darmstadt die Weichen für noch detail­liertere Erkenntnisse gestellt. Mit dem neuen Beschleuniger­zentrum FAIR, das derzeit bei GSI entsteht, können die Bedingungen in Neutronen­stern­verschmelzungen künftig noch realistischer nachgebildet werden. Schließlich wird nur die Kombination aus astronomischen Beobachtungen, Computer-Simulationen und Schwerionen-Experimenten die Fragen nach den fundamentalen Bausteinen der Materie und deren Eigen­schaften klären können und damit auch die Frage, wann der Kollaps zum schwarzen Loch auftritt.

GSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Bauswein et al.: Equation of State Constraints from the Threshold Binary Mass for Prompt Collapse of Neutron Star Mergers, Phys. Rev. Lett. 125, 141103 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.141103
• Theorie-Abteilung, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
• FAIR – Facility for Antiproton and Ion Research in Europe, Darmstadt