Neue Studie beschreibt die Entstehung massereicher Neutronensterne

Künstlerische Darstellung zweier Neutronensterne kurz vor der Verschmelzung. (Credits: Image credit: University of Warwick / Mark Garlick)
Künstlerische Darstellung zweier Neutronensterne kurz vor der Verschmelzung. (Credits: Image credit: University of Warwick / Mark Garlick)

Der 17. August 2017 ist ein Datum, das in den Geschichtsbüchern steht: Es ist der Tag, an dem die LIGO/Virgo Collaboration den ersten Nachweis von Gravitationswellen aus der Todesspirale zweier Neutronensterne erbrachte. Nur 1,7 Sekunden später beobachteten Astronomen einen hochenergetischen Gammastrahlenausbruch, der als Gammablitz bezeichnet wird. Globale Bemühungen von tausenden Astronomen identifizierten später die Heimatgalaxie und einen supernovaähnlichen, thermalen Transient, eine sogenannte Kilonova.

Dieses Ereignis gab Astronomen Einblicke in mehrere fundamentale und wichtige Fragen, darunter beispiellose Erkenntnisse darüber, wo Gold und andere schwere Elemente im Universum produziert werden, sowie unsere besten Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitationskraft. Unter anderem bestätigte dies, dass kurzlebige Gammablitze aus Verschmelzungen von Neutronensternen hervorgehen. Trotz der zahlreichen Beobachtungen blieb eine wichtige Frage bislang unbeantwortet: Was war das Ergebnis dieser Verschmelzung?

Normalerweise erwartet man, dass die Verschmelzung zweier Neutronensterne umgehend ein Schwarzes Loch produziert – ein Objekt, das so dicht ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Allerdings zeigen Beobachtungen anderer Gammablitze Hinweise auf die sofortige Bildung eines massereichen, schnell rotierenden Neutronensterns. Solche Verschmelzungsüberreste, sofern sie existieren, haben wichtige Auswirkungen auf die physikalische Zusammensetzung von Neutronensternen.

Neutronensterne sind die einzigen Orte im Universum, wo man das Verhalten von Materie bei Temperaturen über 100 Milliarden Grad und Dichtewerten größer als jene in einem Atomkern untersuchen kann. Diese Bedingungen können auf der Erde nicht nachgebildet werden. Nikhil Sarin, Paul Lasky und Gregory Ashton vom ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) an der Monash University veröffentlichten kürzlich eine Studie, die alle kurzlebigen Gammablitze analysiert, die vom NASA-Satelliten Swift registriert wurden.

Von den 72 analysierten Gammablitzen zeigen 18 Hinweise auf die sofortige Entstehung eines massereichen Neutronensterns, der später zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Durch die Kombination der Informationen aus allen 18 Beobachtungen war das Team in der Lage, die physikalische Zusammensetzung dieser Neutronensterne genau zu beschreiben.

Die Ergebnisse sprechen dafür, dass diese Neutronensterne frei bewegliche Quarks enthalten und ähnlich wie normale Materie aufgebaut sind – das heißt, sie bestehen aus Atomkernen, den Bausteinen des Universums. Quarks sind Elementarteilchen, aus denen Protonen, Neutronen und Atomkerne bestehen. In gewöhnlicher Materie sind diese Quarks auf den Raum innerhalb von Protonen und Neutronen begrenzt, aber in Umgebungen mit hohen Dichten und hohen Temperaturen wie in Neutronensternen könnten sie sich frei bewegen. Wissenschaftler müssen erst die Temperaturen und Dichten von Neutronensternen bestimmen, um die Bewegung und das Verhalten von Quarks und Materie zu verstehen.

Der OzGrav-Doktorand und Erstautor Nikhil Sarin sagte: „Unsere Beobachtungen zeigen einen leichten Vorzug für frei bewegliche Quarks. Wir freuen uns auf mehr Beobachtungen, um dieses Rätsel definitiv zu lösen.“

Die Forschungsarbeit ergab auch, dass die meisten Neutronensterne vor dem Kollaps zu einem Schwarzen Loch schwache Gravitationswellen produzieren, die von LIGO einzeln wahrscheinlich nicht registriert werden können. „Mit der Konstruktion weiterer empfindlicher Gravitationswellendetektoren wie dem Einstein-Teleskop in Europa und dem Cosmic Explorer in den Vereinigten Staaten sind wir sicher, dass wir letztendlich einzelne Gravitationswellen von solchen Systemen registrieren werden“, sagte Sarin.

Quelle

(THK)

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