Blog

Eine Illustration zweier Neutronensterne, die kollidieren und verschmelzen.(Bildnachweis: Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science)

Wissenschaftler haben Simulationen von Kollisionen zwischen diesen ultradichten und toten Sternen durchgeführt, die zeigen, dass diese mächtigen Ereignisse in der Lage sein können, Neutrinos, auch bekannt als „Geisterteilchen“, kurzzeitig „einzufangen“. Die Entdeckung könnte den Wissenschaftlern helfen, Neutronensternverschmelzungen insgesamt besser zu verstehen. Bei diesen Ereignissen entstehen Umgebungen, die turbulent genug sind, um Elemente zu schmieden, die schwerer als Eisen sind. Solche Elemente können nicht einmal in den Herzen von Sternen entstehen – und das gilt auch für das Gold an Ihrem Finger und das Silber um Ihren Hals.

Neutrinos gelten als die „Geister“ des Teilchenzoos, da sie keine Ladung und eine unglaublich geringe Masse haben. Diese Eigenschaften bedeuten, dass sie nur sehr selten mit Materie wechselwirken. Um das zu verdeutlichen: Während Sie diesen Satz lesen, strömen mehr als 100 Billionen Neutrinos mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch Ihren Körper, und Sie spüren nichts davon.

Diese neuen Simulationen der Verschmelzung von Neutronensternen wurden von Physikern der Penn State University durchgeführt und haben gezeigt, dass der Punkt, an dem sich diese toten Sterne treffen (die Schnittstelle), unglaublich heiß und dicht wird. Sie wird sogar extrem genug, um einen Haufen dieser „kosmischen Geister“ zu umgarnen.

Zumindest für eine kurze Zeit.

Trotz der fehlenden Wechselwirkung mit der Materie würden die bei der Kollision erzeugten Neutrinos an der Grenzfläche zwischen Neutronenstern und Fusion gefangen bleiben und viel heißer werden als die relativ kalten Herzen der kollidierenden toten Sterne.

Man spricht davon, dass die Neutrinos „aus dem thermischen Gleichgewicht“ mit den kalten Neutronensternkernen geraten. Während dieser heißen Phase, die etwa zwei bis drei Millisekunden dauert, können die Neutrinos nach den Simulationen des Teams mit der verschmelzenden Neutronensternmaterie wechselwirken und so zur Wiederherstellung des thermischen Gleichgewichts beitragen.

Erhalten Sie den kosmischeweiten.de Newsletter

„Neutronensterne vor der Verschmelzung sind tatsächlich kalt. Sie können zwar Milliarden Grad Kelvin heiß sein, aber ihre unglaubliche Dichte bedeutet, dass diese Wärme nur sehr wenig zur Energie des Systems beiträgt“, sagte der Leiter des Teams, David Radice, ein Assistenzprofessor für Physik, Astronomie und Astrophysik am Eberly College of Science an der Penn State University, in einer Erklärung. „Wenn sie kollidieren, können sie sehr heiß werden. Die Grenzfläche der kollidierenden Sterne kann auf Temperaturen von Billionen Grad Kelvin aufgeheizt werden. Sie sind jedoch so dicht, dass Photonen nicht entweichen können, um die Hitze abzuführen; stattdessen glauben wir, dass sie sich abkühlen, indem sie Neutrinos aussenden.“

Einstellung der kosmischen Geisterfalle

Neutronensterne entstehen, wenn einem massereichen Stern mit der mindestens achtfachen Masse der Sonne der Brennstoff für die Kernfusion in seinem Kern ausgeht. Wenn dieser Brennstoffvorrat aufgebraucht ist, kann sich der Stern nicht mehr gegen den Druck seiner eigenen Schwerkraft abstützen.

Dies setzt eine Reihe von Kernkollapsen in Gang, die die Fusion von schwereren Elementen auslösen, aus denen dann noch schwerere Elemente entstehen. Diese Kette endet, wenn das Herz des sterbenden Sterns mit Eisen gefüllt ist, dem schwersten Element, das selbst im Kern der massivsten Sterne geschmiedet werden kann. Dann kommt es zu einem erneuten Gravitationskollaps, der eine Supernovaexplosion auslöst, die die äußeren Schichten des Sterns und einen Großteil seiner Masse wegsprengt.

Anstatt neue Elemente zu schmieden, schmiedet dieser letzte Kernkollaps einen völlig neuen Materiezustand, der nur im Inneren von Neutronensternen vorkommt. Negative Elektronen und positive Protonen werden zusammengedrängt und bilden eine ultradichte Suppe aus Neutronen, die neutrale Teilchen sind. Ein Aspekt der Quantenphysik, der so genannte „Entartungsdruck“, verhindert, dass diese neutronenreichen Kerne weiter kollabieren, obwohl dies von Sternen mit genügend Masse überwunden werden kann, die vollständig kollabieren – und so schwarze Löcher entstehen lassen.

Eine Illustration zeigt den Tod eines massereichen Sterns in einer Supernova-Explosion, die einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch hervorgebracht hat (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)

Das Ergebnis dieser Serie von Zusammenbrüchen ist ein dichter toter Stern oder Neutronenstern mit der ein- bis zweifachen Masse des ursprünglichen Sterns – zusammengepfercht auf einer Breite von etwa 20 Kilometern (12 Meilen). Zum Vergleich: Die Materie, aus der Neutronensterne bestehen, ist so dicht, dass ein Esslöffel davon so viel wiegen würde wie der Mount Everest, wenn man ihn auf die Erde bringen würde. Vielleicht sogar mehr.

Diese extremen Sterne leben (oder sterben) jedoch nicht immer isoliert. Einige Doppelsternsysteme enthalten zwei Sterne, die massiv genug sind, um Neutronensterne zu erzeugen. Wenn diese binären Neutronensterne umeinander kreisen, senden sie Wellen in der Struktur von Raum und Zeit aus, die Gravitationswellen genannt werden.

Wenn diese Gravitationswellen von Neutronenstern-Doppelsternen ausgehen, nehmen sie einen Drehimpuls mit. Dies führt zu einem Verlust an Bahnenergie im Doppelsternsystem und veranlasst die Neutronensterne, sich einander anzunähern. Je enger sie sich umkreisen, desto schneller senden sie Gravitationswellen aus – und desto schneller ziehen sich ihre Bahnen weiter zusammen. Schließlich nimmt die Schwerkraft der Neutronensterne überhand, und die toten Sterne kollidieren und verschmelzen.

Durch diese Kollision entstehen „Strahlen“ von Neutronen, die die Umgebung der Verschmelzung mit freien Versionen dieser Teilchen anreichern. Diese können von den Atomen der Elemente in dieser Umgebung während eines Phänomens „eingefangen“ werden, das als „schneller Einfangprozess“ (r-Prozess) bezeichnet wird. Dabei entstehen überschwere Elemente, die durch radioaktiven Zerfall zu leichteren Elementen werden, die immer noch schwerer sind als Eisen. Denken Sie an Gold, Silber, Platin und Uran. Der Zerfall dieser Elemente erzeugt auch eine Lichtexplosion, die Astronomen als „Kilonova“ bezeichnen.

Die ersten Momente von Neutronensternkollisionen

Neutrinos entstehen auch in den ersten Momenten einer Neutronensternverschmelzung, wenn Neutronen auseinandergerissen werden, so das Team, wobei Elektronen und Protonen entstehen. Und die Forscher wollten wissen, was in diesen ersten Momenten passieren könnte. Um einige Antworten zu finden, erstellten sie Simulationen, die mit enormer Rechenleistung die Verschmelzung von binären Neutronensternen und die mit solchen Ereignissen verbundene Physik modellieren.

Eine Simulation der Verschmelzung eines binären Neutronensterns. Neutrinos, die an der heißen Grenzfläche zwischen den verschmelzenden Sternen entstehen, können kurzzeitig eingefangen werden und bleiben 2 bis 3 Millisekunden lang außerhalb des Gleichgewichts mit den kalten Kernen der verschmelzenden Sterne. (Bildnachweis: David Radice / Penn State.)Die Simulationen des Penn State-Teams haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Hitze und die Dichte, die durch die Kollision eines Neutronensterns erzeugt werden, für einen kurzen Moment ausreichen, um sogar Neutrinos einzufangen, die unter allen anderen Umständen ihren gespenstischen Spitznamen verdient haben.

„Diese extremen Ereignisse erweitern die Grenzen unseres physikalischen Verständnisses, und ihre Untersuchung ermöglicht es uns, neue Dinge zu lernen“, fügte Radice hinzu. „Der Zeitraum, in dem die verschmelzenden Sterne aus dem Gleichgewicht geraten, beträgt nur zwei bis drei Millisekunden, aber wie die Temperatur ist auch die Zeit hier relativ; die Umlaufzeit der beiden Sterne vor der Verschmelzung kann nur eine Millisekunde betragen.

„In dieser kurzen Phase außerhalb des Gleichgewichts findet die interessanteste Physik statt. Sobald das System wieder im Gleichgewicht ist, lässt sich die Physik besser verstehen.“

Das Team geht davon aus, dass die genauen physikalischen Wechselwirkungen, die bei der Verschmelzung von Neutronensternen auftreten, die Lichtsignale dieser gewaltigen Ereignisse, die auf der Erde beobachtet werden können, beeinflussen könnten.

„Die Art und Weise, wie die Neutrinos mit der Materie der Sterne interagieren und schließlich emittiert werden, kann sich auf die Schwingungen der verschmolzenen Überreste der beiden Sterne auswirken, was wiederum einen Einfluss darauf haben kann, wie die elektromagnetischen und Gravitationswellensignale der Verschmelzung aussehen, wenn sie uns hier auf der Erde erreichen“, sagte Teammitglied Pedro Luis Espino, ein Postdoktorand an der Penn State und der University of California, Berkeley, in der Erklärung. „Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation könnten so konstruiert werden, dass sie nach dieser Art von Signalunterschieden suchen. Auf diese Weise spielen diese Simulationen eine entscheidende Rolle, da sie uns Einblicke in diese extremen Ereignisse geben und gleichzeitig in einer Art Rückkopplungsschleife Informationen für zukünftige Experimente und Beobachtungen liefern.

„Es gibt keine Möglichkeit, diese Ereignisse in einem Labor zu reproduzieren, um sie experimentell zu untersuchen. Das beste Fenster, das wir haben, um zu verstehen, was während der Verschmelzung eines binären Neutronensterns passiert, sind Simulationen, die auf der Mathematik basieren, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergibt.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 20. Mai in der Zeitschrift Physical Reviews Letters veröffentlicht.