Was passiert, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen?
Bisher längste und umfassendste Computersimulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne offenbart explosive Details der Entstehung schwarzer Löcher und Jets
Auf den Punkt gebracht
- Simulationsrekord: Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) hat die bisher längste und komplexeste Simulation einer Verschmelzung von zwei Neutronensternen durchgeführt. Sie zeigt 1,5 Sekunden in Echtzeit.
- Das vollständige Bild: Die Simulation, für die 130 Millionen CPU-Stunden Rechenzeit benötigt wurden, berücksichtigt die Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie, der Neutrino-Strahlung und der Magnetohydrodynamik. Sie zeigt den schnellen Kollaps zum Schwarzen Loch und die anschließende Bildung eines gebündelten Materiestrahls oder Jets.
- Wertvolle Vorhersagen: Die Simulation beschreibt die Explosion der Kilonova und den anschließenden Materiejet um das schwarze Loch als Verschmelzungsüberrest, das ausgesendete Gravitationswellen-Signal und einen Neutrino-Ausbruch. Dies liefert wertvolle Informationen für Observatorien und Detektoren, um die diversen Produkte der Explosion nachzuweisen.
Die längste und komplexeste Simulation
Verschmelzende Neutronensterne sind hervorragende Ziele für die Multi-Messenger-Astronomie. Diese moderne und noch sehr junge Methode der Astrophysik koordiniert Beobachtungen der diversen Signale ein und der selben astrophysikalischen Quelle. Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, senden sie Gravitationswellen, Neutrinos und Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum aus. Für deren Nachweis müssen Forschende neben gewöhnlichen Teleskopen, die Licht einfangen, um Gravitationswellendetektoren und Neutrinoteleskope erweitern. Genaue Modelle und Vorhersagen über die erwarteten Signale sind essenziell, um diese vom Wesen her sehr unterschiedlichen Observatorien zu koordinieren.
„Es ist extrem schwierig, Multi-Messenger-Signale verschmelzender Neutronensterne aus grundlegenden physikalischen Prinzipien vorherzusagen. Das ist uns jetzt gelungen“, sagt Kota Hayashi, Postdoktorand in der Abteilung Numerische und Relativistische Astrophysik am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) im Potsdam Science Park. „Mit dem Supercomputer Fugaku in Japan haben wir die bisher längste und komplexeste Simulation verschmelzender Neutronensterne durchgeführt.“
Die Simulation zeigt 1,5 Sekunden der Verschmelzung in Echtzeit, benötigte 130 Millionen CPU-Stunden und beschäftigte zwischen 20.000 und 80.000 CPUs gleichzeitig. Sie berücksichtigt die Effekte von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die Neutrino-Strahlung und die Wechselwirkung starker Magnetfelder mit der dichten Materie im Inneren der verschmelzenden Neutronensterne.
Entstehung eines Jets und eines Schwarzen Lochs aus einer Neutronenstern-Verschmelzung
Ein vollständiges Bild
Die Simulation basiert auf sehr wenigen Annahmen: Neutronensterne mit starken Magnetfeldern, die einander umrunden. Sie beschreibt wie sich das Doppelsternsystem im Laufe der Zeit aufgrund fundamentaler physikalischer Prinzipien entwickelt. „Unsere neue Simulation zeigt den Doppelstern konsistent in allen Phasen seiner Entwicklung: Annäherung, Verschmelzung und die Zeit danach mit der Entstehung eines Jets. Sie liefert das erste vollständige Bild des gesamten Prozesses und damit wertvolle Informationen für künftige Beobachtungen solcher Ereignisse“, erklärt Kota Hayashi.
Anfänglich unrunden sich die beiden Neutronensterne (mit der 1,25- und 1,65-fachen Masse unserer Sonne) fünfmal. Während dieser Annäherungsphase fallen sie aufeinander zu, weil sie Bahnenergie verlieren, die in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird. Weil ihre Gesamtmasse groß ist, kollabiert der Verschmelzungsrest sofort zu einem Schwarzen Loch. Die Simulation sagt das Gravitationswellen-Signal voraus. Es ist das erste der Multi-Messenger-Signale, das sich beobachten lässt.
Nach der Verschmelzung bildet sich eine Materiescheibe um das zurückgebliebene Schwarze Loch. In der Scheibe wird das Magnetfeld durch das Aufwinden der Feldlinien und Dynamoeffekte verstärkt. Dann wechselwirkt die schnelle Rotation des Schwarzen Lochs mit dem Magnetfeld und intensiviert es noch weiter. Dadurch entsteht ein Energieausfluss entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs.
„Wir gehen davon aus, dass dieser Energiefluss entlang der Achse des Schwarzen Lochs, den Magnetfelder antreiben, einen Gammastrahlenblitz auslöst“, sagt Masaru Shibata, Direktor der Abteilung Numerische und Relativistische Astrophysik. „Das stimmt mit dem überein, was wir aus früheren Beobachtungen wissen, und gibt uns weitere Einblicke in die inneren Abläufe von Neutronensternverschmelzungen.“
Multi-Messenger-Vorhersagen
Das Team nutzt die Simulation auch, um Vorhersagen über die zu erwartende Neutrinoemission zu machen. „Was wir über die Entstehung von Jets und die Dynamik der Magnetfelder gelernt haben, ist entscheidend für unsere Interpretation und unser Verständnis von verschmelzenden Neutronensternen mit ihren Begleiterscheinungen“, erklärt Masaru Shibata. Die Simulation liefert Informationen darüber, wie viel Materie in das interstellare Medium ausgestoßen wird und erlaubt es so die Kilonova vorherzusagen. Das ist die leuchtende Gas- und Staubwolke, die reich an schweren Elementen ist. Als die erste Kollision zweier Neutronensterne am 17. August 2017 von Gravitationswellendetektoren und anschließend von diversen anderen Teleskopen nachgewiesen und verfolgt wurde, entdeckten Forschende insbesondere Elemente wie Gold, die schwerer sind als Eisen. Auch, wenn theoretische Physikerinnen und Physiker solche Kilonovae im Verdacht hatten, jene besonders schweren Elenente zu erzeugen, wurde diese Theorie im Jahr 2017 erstmals bestätigt. Im Inneren von Sternen, die sogenannten Hochöfen des Weltalls, können nur Eisen und leichtere Elemente entstehen.
