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Apr 30 2020
13:35

​Computermodell verschmelzender Neutronensterne sagt voraus, wie dies erkannt werden kann

Gravitationswellen könnten Existenz des Quark-Gluon-Plasmas beweisen

FRANKFURT. Der modernen Teilchenphysik zufolge ist Materie im Inneren verschmelzender Neutronensterne so dicht, dass sie aufgelöst in ihre Elementarteilchen vorliegen könnte. Dieser Materiezustand, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, könnte ein bestimmtes Muster in Gravitationswellen hervorrufen. Dies haben Physiker der Goethe-Universität und des Frankfurt Institute for Advanced Studies jetzt mithilfe von Supercomputern berechnet. (Physical Review Letters, DOI 10.1103/PhysRevLett.124.171103)

Neutronensterne gehören zu den dichtesten Objekten im Universum: Wäre unsere Sonne mit ihrem Radius von 700.000 Kilometern ein Neutronenstern, so wäre ihre Masse in einer nahezu perfekten Kugel mit einem Radius von rund 12 Kilometern zusammengepresst. Wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren und zu einem hypermassiven Neutronenstern verschmelzen, so wird die Materie im Kern dieses neuen Objekts unvorstellbar heiß und dicht. Physikalischen Berechnungen zufolge hätte dies zur Folge, dass sich Hadronen wie zum Beispiel Neutronen und Protonen – aus diesen Teilchen setzt sich die Materie in unserer Umgebung zusammen – in ihre Bestandteile Quarks und Gluonen auflösen und ein Quark-Gluon-Plasma bilden.

2017 wurde erstmals entdeckt, dass verschmelzende Neutronensterne ein Signal in Form einer Gravitationswelle verursachen, die auf der Erde detektiert werden kann. Aus der Gravitationswelle lässt sich nicht nur etwas über Gravitation lernen, sondern auch über das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen. Bei der ersten Entdeckung solcher Gravitationswellen 2017 wurden diese allerdings nicht über den Verschmelzungszeitpunkt hinaus aufgezeichnet.

Dort setzt die Arbeit der Frankfurter Physiker an. Sie simulierten in einem Computermodell verschmelzende Neutronensterne und das Produkt dieser Verschmelzung, um die Bedingungen zu untersuchen, unter denen ein Übergang von Hadronen zu einem Quark-Gluon-Plasma stattfinden könnte und wie sich dies auf die entstehende Gravitationswelle auswirken würde. Das Ergebnis: In einer bestimmten, späten Phase der Existenz des verschmolzenen Objekts fand ein Phasenübergang zu einem Quark-Gluon-Plasma statt und hinterließ ein klares und charakteristisches Muster im Gravitationswellensignal.

Professor Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität ist überzeugt: „Wir haben ein im Vergleich zu bisherigen Simulationen neues und wesentlich klarer zu detektierendes Muster in den Gravitationswellen entdeckt. Wenn sich dieses Muster in den Gravitationswellen findet, die wir von künftigen Neutronenstern-Verschmelzungen empfangen, haben wir einen deutlichen Beweis für die Entstehung eines Quark-Gluon-Plasmas im heutigen Universum.“

Publikation: Post-merger gravitational-wave signatures of phase transitions in binary mergers Lukas R. Weih, Matthias Hanauske, Luciano Rezzolla, Physical Review Letters DOI 10.1103/PhysRevLett.124.171103 https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.171103

Video: Visualisierung einer Neutronensternverschmelzung https://www.youtube.com/watch?v=rj-r-YA9d6E&t=1s

Diese Simulation zeigt die Dichte gewöhnlicher Materie, hauptsächlich Neutronen, in den Farben Rot und Gelb. Kurz nachdem die beiden Sterne verschmelzen, verfärbt sich das extrem dichte Zentrum nach Grün, was die Bildung des Quark-Gluon-Plasmas anzeigt.

Bilder zum Download: http://www.uni-frankfurt.de/87973606

Bildtext Montage: Montage aus Computersimulation der verschmelzenden Neutronensterne (links) und dem Bild einer Schwerionenkollision, die die Verbindung von Astrophysik und Kernphysik verdeutlicht. Bild: Lukas R. Weih & Luciano Rezzolla (Goethe-Universität Frankfurt) (right half of the image from cms.cern)

Bildtext Simulation: Kurz nach der Verschmelzung zweier Neutronensterne bildet sich im Zentrum des neuen Objekts ein Quark-Gluon-Plasma (grün). Rot, gelb: gewöhnliche Materie, hauptsächlich Neutronen. Bild: Lukas R. Weih & Luciano Rezzolla (Goethe-Universität Frankfurt)

Kontakt: Goethe-Universität Frankfurt, Prof. Dr. Luciano Rezzolla, Chair of Theoretical Astrophysics, Institute for Theoretical Physics, +49-69-79847871/47879, rezzolla@itp.uni-frankfurt.de, https://astro.uni-frankfurt.de/rezzolla/