Signale von sterbenden Doppelsternen

Strahlung gibt Auskunft über die Expansion des Universums

Veröffentlicht am: Dienstag, 11. November 2014, 15:16 Uhr (326)

FRANKFURT. Wenn ein Neutronenstern um ein schwarzes Loch kreist, trudelt es in einer spiralförmigen Bewegung unweigerlich darauf zu, bis die beiden Systeme verschmelzen. Dabei senden sie Strahlung aus, die Gravitationswellen. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung Frankfurter Astrophysiker hat jetzt herausgefunden, dass es theoretisch möglich ist, aus diesen Messungen Informationen über die Expansion des Universums zu gewinnen. 

Weltweit bemühen sich Wissenschaftler, die Strahlung astronomischer Quellen mit Kilometer langen Laser-Interferometern nachzuweisen, etwa im amerikanischen LIGO-Observatorium und mit dem französisch-italienischen Virgo-Experiment. Am wahrscheinlichsten ist es, dass LIGO und Virgo Strahlung aus Doppelsystemen messen, die aus einem Neutronenstern und einem schwarzen Loch bestehen. Diese verlieren seit vielen hundert Millionen Jahren Energie in Form von Gravitationsstrahlung. Forscher erwarten, dass die beiden Experimente zumindest die Strahlung messen können, die in den letzten 15 Minuten vor der Verschmelzung frei wird.

Es ist seit langem bekannt, dass verschmelzende Doppelsternsysteme ideale Standard-Kerzen sind, um die Abstände von Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien präzise zu messen. Will man die Expansionsrate des Universums bestimmen sowie die darin enthaltene dunkle Energie und dunkle Materie, genügt es jedoch nicht, nur den Abstand der Quelle zu kennen. Man muss auch wissen, wie schnell sie sich von uns entfernt. Astronomen ermitteln das aus der kosmologischen Rotverschiebung der von der Quelle ausgesandten Strahlung. Bis vor kurzem glaubte man, dass man die Rotverschiebung nicht allein aus der Messung der Gravitationswellen bestimmen kann. Nun haben die Frankfurter Forscher Luciano Rezzolla und Kentaro Takami zusammen mit Kollegen aus Glasgow, Cardiff und den USA gezeigt, dass dies doch möglich ist.

Um die Dynamik solcher der Doppelstern-Systeme exakt modellieren und die ausgesandte Gravitationsstrahlung berechnen zu können, verwendeten die Physiker innovative numerische Simulationen, die einige Monate laufen auf modernsten Hochleistungsrechnern. Dank dieser hochgradig exakten Simulationen konnten die Forscher charakteristische Frequenzen in dem Signal der Gravitationswelle des verschmolzenen Objekts, des hyper-massiven Neutronensterns, identifizieren.

In einer kürzlich in der renommierten Zeitschrift Physical Review „X“ erschienenen Veröffentlichung haben sie gezeigt, dass die Messung der charakteristischen Frequenzen vor und nach der Verschmelzung zusammen mit dem Wissen über die Werte aus der Simulation es ermöglichen, die Rotverschiebung direkt aus den Beobachtungen abzuleiten. Damit haben sie erstmals gezeigt, dass es für das Signal nach der Verschmelzung eine kosmologische Anwendung gibt.

Dazu Rezzolla: “Wir haben gezeigt, dass es theoretisch möglich sein wird, die Rotverschiebung kosmologischer Quellen zu messen. Um dies praktisch umzusetzen, werden wir noch raffiniertere Simulationen der Fusionsdynamik von Neutronensternen benötigen. Beispielsweise kennen wir die innere Struktur von Neutronensternen bis jetzt nicht genau. Und die müssen wir im Detail verstehen, wenn wir die Rotverschiebung aus der Beobachtung der Gravitationswellen ableiten wollen. Jedoch zeigt dieses Ergebnis, dass wir Neutronensterne auch als Standard-Kerzen verwenden können.“

Information: Prof. Luciano Rezzolla, Institut für Theoretische Physik, Campus Riedberg, Tel: (069) 798-47871, rezzolla@th.physik.uni-frankfurt.de; http://astro.uni-frankfurt.de/rezzolla