Kollision der Titanen: Geheimnisse der Neutronenstern-Zusammenstöße enthüllt

BerlinWenn zwei Neutronensterne einander nahekommen und kollidieren, verschmelzen sie. Diese Sterne sind äußerst dicht, klein und kalt. An der Berührungsstelle entsteht jedoch extreme Hitze. Neue Simulationen liefern faszinierende Einblicke in diesen Prozess.

Im Folgenden passiert:

• Heiße Neutrinos entstehen.
• Diese Neutrinos können durch die Hitze und Dichte gefangen werden.
• Sie interagieren schwach mit der Materie der Sterne.
• Die Interaktion hilft, die Teilchen zurück ins Gleichgewicht zu bringen.

Pedro Luis Espino, Postdoktorand an der Penn State und UC Berkeley, führte eine Studie mit einem Team von Physikern der Penn State durch. Die Ergebnisse wurden in den Physical Review Letters veröffentlicht. Espino bemerkte, dass wir im Jahr 2017 erstmals Signale von der Verschmelzung zweier Neutronensterne, einschließlich Gravitationswellen, entdeckten. Diese Entdeckung hat das Interesse an der Erforschung von binären Neutronensternen erheblich gesteigert.

David Radice, Assistenzprofessor an der Penn State University, erklärt, dass Neutronensterne hauptsächlich aus Neutronen bestehen, äußerst dicht sind und bei Kollisionen extrem heiß werden können. Da Photonen nicht entweichen können, um sie zu kühlen, geben sie stattdessen Neutrinos ab.

Hier sind einige zentrale Erkenntnisse aus der Forschung:

• Neutrinos werden erzeugt, wenn Neutronen in Sternen miteinander kollidieren und in Protonen, Elektronen und Neutrinos zerfallen.
• Für 2 bis 3 Millisekunden können Neutrinos durch die Hitze und Dichte der Verschmelzung gefangen werden.
• Diese Phase ist kurz, aber entscheidend für das Verständnis der Physik der Verschmelzung.
• Die interagierenden Neutrinos können die auf der Erde beobachteten Signale beeinflussen.

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Die Forschung nutzte leistungsstarke Computer, um das Verschmelzen zweier Neutronensterne und die dabei ablaufende Physik zu untersuchen. Dabei entdeckten die Wissenschaftler, dass Neutrinos, obwohl ihre Existenz nur kurz ist, aufgrund der Hitze und Dichte des Verschmelzungsprozesses eingefangen werden und mit der Materie der Sterne interagieren können.

Radice erklärte, dass das Studium dieser Ereignisse uns Einblicke in neue Physik gewährt. Die Phase, in der das System instabil ist, dauert nur 2 bis 3 Millisekunden, doch in dieser kurzen Zeit geschehen wichtige physikalische Prozesse. Sobald das System wieder ins Gleichgewicht kommt, verstehen wir die Physik besser.

Espino erläuterte, dass die Wechselwirkungen von Neutrinos mit der Materie der Sterne die Schwingungen in den Überresten der Verschmelzung beeinflussen können. Diese Schwingungen wiederum können die Licht- und Gravitationswellensignale beeinflussen, die wir von der Erde aus registrieren. Zukünftige Detektoren könnten darauf ausgelegt werden, um nach Unterschieden in diesen Signalen zu suchen.

Das Forschungsteam bestand aus den Postdoktoranden Peter Hammond und Rossella Gamba von der Penn State University, Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa und Luís Felipe Longo Micchi von der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Deutschland sowie Albino Perego von der Universität Trient in Italien. Finanziert wurde die Forschung von der U.S. National Science Foundation, dem U.S. Department of Energy, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Europäischen Union.

Simulationen wurden auf den Supercomputern Bridges2, Expanse, Frontera und Perlmutter durchgeführt. Auch die Ressourcen des National Energy Research Scientific Computing Center kamen dabei zum Einsatz. Die Autoren bedanken sich beim Gauss Centre for Supercomputing für die finanzielle Unterstützung und die zur Verfügung gestellte Rechenzeit auf dem SuperMUC-NG am Leibniz-Rechenzentrum.