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Eine Illustration der Kollision und Verschmelzung zweier Neutronensterne (Bildnachweis: Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science)

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass bei der Kollision von Neutronensternen ein Überbleibsel zurückbleibt, das keinem der beiden Sterne ähnelt.

Neutronensterne sind die extremsten Sterne des Universums, die entstehen, wenn massereiche Sterne sterben und explodieren. Diese Sterne sind mit so dichtem Material gefüllt, dass ein Teelöffel davon auf der Erde 10 Millionen Tonnen wiegen würde – kein Wunder also, dass die Kollision von Neutronensternen zu einem Ereignis von unvergleichlicher Kraft und Gewalt führt.

Diese Kollision und Verschmelzung schafft die einzige Umgebung im Kosmos, die turbulent genug ist, um Elemente zu schmieden, die schwerer sind als Blei (wie Gold, Silber und Plutonium). Solche Elemente können nicht einmal in den Kernöfen der massivsten Sterne erzeugt werden. Doch in den Trümmern von Neutronensternen verbirgt sich noch etwas anderes: ein Überbleibsel, das nach Ansicht der Wissenschaftler schnell kollabieren und ein völlig neues Schwarzes Loch entstehen lassen sollte. Eine Frage bleibt. Wie lange würde dieser ultramassive Neutronenstern haben, bevor er ein Schwarzes Loch wird?

„Wir wissen nicht, wie sich Materie bei extremen Dichten und Temperaturen verhält, weil solche Bedingungen auf der Erde nicht realisierbar sind“, sagt David Radice, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Pennsylvania State University, gegenüber kosmischeweiten.de. „Neutronensternverschmelzungen sind die Supercollider der Natur, und wie bei den Teilchencollidern können wir viel lernen, wenn wir das Ergebnis der Kollisionen untersuchen.“

Auf der Suche nach Antworten leitete Radice ein Forscherteam, das sich an die Supercomputer des National Energy Research Scientific Computing Center des US-Energieministeriums, des Leibniz Supercomputing Center in Deutschland und des Institute for Computational and Data Science an der Pennsylvania State University wandte.

„Die Kollision von zwei Neutronensternen kann zwei unmittelbare Folgen haben. Es könnte ein schwarzes Loch oder ein sehr massereicher und möglicherweise kurzlebiger heißer Neutronensternüberrest entstehen“, so Radice. „Unsere Arbeit konzentriert sich auf das letztere Szenario. Insbesondere haben wir die ersten Simulationen durchgeführt, die zeigen, wie solche Überreste durch die Emission von Neutrinos abkühlen würden.“

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Das Team simulierte die Folgen einer Kollision mit einem Neutronenstern und das Innere des Neutronensternüberrests. Die Wissenschaftler beobachteten dann, wie winzige, fast masselose „Geisterteilchen“, sogenannte „Neutrinos“, Wärme von dieser kosmischen Absturzszene abtransportierten.

Ein kosmisches Labor wie kein anderes

Sterne ermöglichen im Wesentlichen ein „kosmisches Tauziehen“ in sich selbst, das Millionen oder Milliarden von Jahren andauert. Die beiden Konkurrenten in diesem Wettstreit sind der nach außen gerichtete Energiestoß oder „Strahlungsdruck“, der im nuklearen Ofen im Herzen eines Sterns erzeugt wird, und die nach innen gerichtete Kraft der Schwerkraft des Sterns selbst.

Es ist ein epischer Kampf, aber es gibt immer nur einen Sieger, und das ist die Schwerkraft. Wenn ein massereicher Stern, wie oben erwähnt, in seinem Kern Eisen geschmiedet hat, kann er dieses nicht zu schwereren Elementen fusionieren und so den nach außen gerichteten Strahlungsdruck beenden. Wie ein Sportler, der seinen Trainer mit Gatorade übergießt, markiert die Schwerkraft ihren Sieg, indem sie den Kern des Sterns zerdrückt. Dies verursacht Schockwellen, die sich durch die äußeren Schichten des Sterns ausbreiten und sie in einer gewaltigen Supernovaexplosion auseinandersprengen.

Damit verliert der Stern den Großteil seiner Masse – aber es gibt zwei Möglichkeiten, wie diese Sternenleiche zerfallen kann. Die massereichsten Sterne mit einer Masse von mehr als dem Zwölffachen der Sonnenmasse erzeugen sofort stellarmasse Schwarze Löcher. Sterne mit einer Masse zwischen dem Acht- und Zwölffachen der Sonnenmasse hingegen bilden Neutronensterne, d. h. Überreste von Sternen mit einer Masse zwischen dem Ein- und Zweifachen der Sonnenmasse, die zu einem neutronenreichen Körper zerquetscht werden, der nicht breiter als etwa 20 Kilometer ist.

Eine Illustration eines Neutronensterns im Vergleich zu Manhattan Island (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Ungefähr 75 % der massereichen Sterne verbringen ihr Leben in einer binären Partnerschaft mit einem anderen Stern. Wenn sich ein Stern (in der Regel der massereichere, der seinen Treibstoff schneller verbrennt) in einen Neutronenstern verwandelt, wird sein stellarer Begleiter oft von der daraus resultierenden Supernova „weggekickt“ oder zerstört.

In einigen Fällen kann der Doppelstern diese Umwandlung jedoch überleben, und der andere massereiche Stern wird schließlich ebenfalls zu einem Neutronenstern. Das Ergebnis ist ein Neutronenstern-Doppelstern – aber damit ist die Geschichte noch nicht zu Ende.

Wenn diese Neutronensterne umeinander kreisen, sind sie so massereich und dicht, dass sie Wellen in der Struktur von Raum und Zeit (die zu einer einzigen vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“ vereint sind) erzeugen, die als Gravitationswellen bekannt sind. Die Gravitationswellen, die sich von dem Doppelstern ausbreiten, tragen einen Drehimpuls mit sich. Dies führt dazu, dass sich die beiden Neutronensterne zusammenziehen und immer schneller hochfrequente Gravitationswellen aussenden. Dies setzt sich fort, bis die Sterne schließlich kollidieren und verschmelzen. Bei einer solchen Verschmelzung ertönt ein letzter, hoher „Schrei“ aus Gravitationswellen und Materieschleudern, die reich an freien Neutronen sind.

Diese Neutronen, die normalerweise in Atomkernen mit Protonen gebunden sind, werden von anderen Elementen in der Nähe der Verschmelzungsstelle eingefangen, ein Phänomen, das als „Rapid Capture Process“ oder „r-Process“ bezeichnet wird. Diese Atome werden zu sehr instabilen, ultraschweren Elementen, die schnell in leichtere Elemente zerfallen (die immer noch schwerer sind als Eisen). Dieser Zerfall verursacht eine Lichtemission, die Astronomen als „Kilonova“ bezeichnen.

Der Neutronensternüberrest ist von einem sich schnell drehenden Ring aus Materie umgeben, der Akkretionsscheibe. Diese kann nur einen kleinen Teil der Masse des Systems, aber einen großen Teil seines verbleibenden Drehimpulses enthalten.

Hubble-Weltraumteleskop der NASA (sichtbares Licht) und dem Chandra-Röntgenobservatorium (blau) über neun Tage im August 2017 beobachtet wurde. (Bildnachweis: NASA/CXC/E. Troja)

Die Simulation des Teams zeigte, dass die Überreste dieser Art von Verschmelzung als zentrales Objekt gesammelt werden, das den Großteil der Masse der Vorläufer-Neutronensterne enthält. Ein Tochterneutronenstern unterscheidet sich jedoch grundlegend von „lebenden Sternen“ und sogar von anderen Neutronensternen.

Während normale Neutronensterne an ihrer Oberfläche kühler und in Richtung ihres Kerns heißer sind, zeigt diese Forschung, dass die Tochter einer Neutronensternverschmelzung an ihrer Oberfläche heißer ist als in ihrem Kern. Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass der Neutronensternüberrest vor allem durch die Emission von Neutrinos abkühlt.

„Es wurde spekuliert, dass die Überreste von Neutronensternverschmelzungen konvektiv sind, wie Wasser in einem kochenden Topf, das von unten erhitzt wird“, erklärt Radice. „Eine solche Konvektion hätte Blasen aus heißer Kernmaterie aus dem Inneren des Sterns mit Geschwindigkeiten von etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit nach außen befördert und ein charakteristisches Gravitationswellensignal erzeugt, das mit Experimenten der nächsten Generation nachgewiesen werden könnte“.

„Wir fanden überraschenderweise heraus, dass das gesamte ‚kalte‘ Material nach der Verschmelzung so schnell in das Zentrum sinkt, dass keine Konvektion entstehen kann“, fuhr er fort. „Auch wenn der Stern an seiner Oberfläche durch die Emission von Neutrinos abkühlt, können die Neutrinos so schnell aus dem Kern diffundieren, dass die Oberfläche nicht kälter wird als das Innere, so dass sich keine Konvektion entwickeln kann.“

Radice erklärte, dass ein Überrest einer Neutronensternverschmelzung in vielerlei Hinsicht wie ein neu geborener Neutronenstern in einer Supernovaexplosion aussieht. Beide sind extrem heiß, kühlen aber durch die Emission von Neutrinos schnell ab.

„Es ist jedoch bekannt, dass neu geborene Neutronensterne eine starke Vermischung erfahren, die ihre Magnetfelder verstärkt und Pulsare und Magnetare entstehen lässt, während dies bei den Überresten von Verschmelzungen nicht der Fall ist“, fügte er hinzu. „Die Überreste müssen nicht unbedingt zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Wir wissen nicht wirklich, was ihr Schicksal ist.

„In unseren Simulationen haben wir ein Modell für dichte Materie verwendet, das zu einem Überrest führt, der nie zu einem Schwarzen Loch kollabiert.“

Während es andere Modelle gibt, die eine sofortige Bildung von Schwarzen Löchern oder eine Bildung von Schwarzen Löchern mit einer kurzen Verzögerung vorhersagen (wobei das letztere Szenario von vielen Astronomen favorisiert wird), glaubt Radice, dass es noch keine eindeutigen Beweise für die eine oder andere Variante gibt.

„Dafür brauchen wir mehr Beobachtungen“, sagte er.

Diese Forschung ist nur der erste Schritt, um die Physik rund um Neutronensternverschmelzungen zu verstehen, eine Umgebung, die sich von allen anderen unterscheidet.

„Der sauberste Weg, unsere Ergebnisse zu bestätigen oder zu falsifizieren, wäre, Beweise für das Vorhandensein oder Fehlen von Konvektion in den Gravitationswellen nach der Verschmelzung zu sehen. Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass zwischen der Entstehung eines langlebigen Überrests und dem Zeitpunkt, zu dem er einen Jet ausstoßen könnte, eine Verzögerung in der Größenordnung von einer Sekunde liegen sollte, da wir erwarten, dass das Magnetfeld aufgrund der fehlenden Konvektion im Inneren des Sterns gefangen ist“, so Radice.

„Die Beobachtung einer Verschmelzung mit einem verzögerten Jet-Start und einem sehr blauen optischen Gegenstück, was auf die Bildung eines langlebigen Überrests hindeuten würde, könnte unsere Ergebnisse ebenfalls bestätigen“, sagte er.

Nun will das Team untersuchen, ob die Kraft, die in dem durch die Fusion entstandenen Tochterneutronenstern wirkt, die so genannte „starke Kraft“, stark genug ist, um diesen Überrest daran zu hindern, zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren.

Eine Studie zu diesen Ergebnissen wurde Ende letzten Jahres in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.