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Die Wellen der Neutronensterne

Astrophysik in Potsdam Die Wellen der Neutronensterne

Seit Februar weiß die Welt, dass es die von Albert Einstein postulierten Gravitationswellen wirklich gibt. Aber neue Gravitationswellen wurden bislang nicht nachgewiesen. Forscher wie die in Golm arbeitende Tanja Hinderer arbeiten an Modellen von Gravitationswellen, die von sich umkreisenden Neutronensternen erzeugt werden.

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Bilder aus einem Film, der die Annäherung und Verschmelzung zweier Neutronensterne illustriert.
 

Quelle: FOTOS: NASA

Potsdam-Golm.  Lange nichts mehr gehört von neuen Gravitationswellen. Seit der sensationellen Verkündigung eines direkten Nachweises der von Albert Einstein postulierten winzigen Krümmungen im Raum-Zeit-Gefüge am 11. Februar dieses Jahres, ist es still geworden um die beiden Ligo-Detektoren in den Vereinigten Staaten. Kein Wunder: Die Messinstrumente sind seit Mitte Januar dieses Jahres abgeschaltet und werden für eine neue Messkampagne vorbereitet, indem man sie noch sensibler macht. Immerhin: Die bis dahin aufgefangenen Daten werden noch ausgewertet und zur Zeit diskutieren die Wissenschaftler darüber, ob sich unter den vielen Signalen nicht zumindest ein weiteres echtes Gravitationswellensignal verbirgt.

Wissenschaftler wie die Physikerin Tanja Hinderer, eigentlich Forscherin an der Universität von Maryland, seit längerer Zeit aber schon als Gast am Golmer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik tätig, nutzen die detektorfreie Zeit, um die Beobachter mit neuen Modellen auszurüsten. So könnte eine künftige Generation von Detektoren noch viel mehr Entdeckungen machen. Mehrere Teams am Institut, zu denen auch Hinderer gehört, entwickeln derzeit ein genaues Modell für den Nachweis und die Analyse von Gravitationswellen, die einander umkreisende und schließlich verschmelzende Neutronensterne erzeugen würden.

Seltsame Materie aus lauter Neutronen

Neutronensterne sind seltsame Gebilde. Ähnlich wie Schwarze Löcher sind sie die Produkte gestorbener und zusammengestürzter Sterne. Doch anders als die Schwarzen Löcher, die praktisch keine physischen Objekte, sondern nur noch reine Gravitation sein, sind Neutronensterne immer noch Materie. Allerdings ist es eine Materie, die zum größten Teil nur aus Neutronen, also dem neutralen Bestandteil eines Atomkerns besteht. Die Neutronensterne sind so extrem verdichtete Masse, dass die Atome praktisch miteinander verbacken wurden und die Protonen und Elektronen, die sonst in normalen Atomen zu finden sind, ebenfalls zu Neutronen verschmolzen.

Jahrzehntelange Vorarbeit

Die Expertin für Gravitationswellen in Potsdam ist die italienisch-amerikanische Physikerin Alessandra Buonanno. Die frühere Physikerin an der US-Universität von Maryland ist seit 2014 Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm.

Jahrzehntelange Vorarbeit leisteten Wissenschaftler wie Buoanno, bis es einem weltweiten Team von Astrophysikern gelang, ein am 14. September 2015 aufgefangenes Signal als echte Gravitationswelle nachzuweisen. Sie wurde von einem 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernten und damit längst vergangenen Ereignis ausgelöst: dem Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher.

Tanja Hinderer erforscht in einer eigenen Arbeitsgruppe „Gezeiten im Doppelsternsystem“. Das Ziel der aus drei jungen Nachwuchswissenschaftlern bestehenden Gruppe: Die Deformation von Neutronensternen in Doppelsternsystemen kurz vor ihrer Kollision erstmals realistisch zu beschreiben.

Die Verformung beim Verschmelzen wirkt sich auf die Eigenschaft der entstehenden Gravitationswellen aus. Fangen die Detektoren irgendwann Wellen mit solchen charakteristischen Mustern ein, ist davon auszugehen, dass sie Zeuge eines tatsächlichen kosmischen Ereignisses wurden.

„Im Innern der Neutronensterne werden die Neutronen selbst so stark zusammengepresst, dass die ganze Struktur der Materie, wie wir sie kennen, verloren geht. Wir wissen gar nicht, was im Inneren eines solchen Sternes weiter passiert“, erklärt Hinderer, die sie schon seit Jahren mit der Physik der Neutronensterne befasst, zunächst an der Kalifornischen Technischen Hochschule in Pasadena, dann an der Universität von Maryland bei Washington D.C und jetzt in Golm. Anders als Schwarze Löcher wurden manche Neutronensterne, die starke Magnetfelder haben, auch schon direkt beobachtet. Für Astrophysiker wäre es hochspannend, Gravitationswellen von solchen Neutronensternen einzufangen. Die Analyse der Wellen könnte Aufschluss über die innere Struktur dieser Sterne geben.

Duell im Weltall

Am Albert-Einstein-Institut in Golm arbeiten mehrere Teams schon seit etwa zwei Jahren an Modellen für entsprechende Gravitationswellen. In Golm untersuchen die Wissenschaftler, wie die Gravitationswellen zweier Neutronensterne aussehen müssten, die sich wie Duellanten umkreisen und schließlich miteinander verschmelzen. Bei der letzten Phase kurz vor der Verschmelzung beschleunigen sich die bis zu 20 Kilometer dicken Objekte der Theorie zufolge gegenseitig auf die halbe Lichtgeschwindigkeit, also auf das unglaubliche Tempo von fast 150000 Kilometern pro Sekunde. Dabei werden sie aufgrund ihrer unheimlichen Dichte nicht einmal besonders verformt, das geschieht vor allem beim eigentlichen Verschmelzen. „Das ist in der Tat unvorstellbar“, räumt auch die junge Astrophysikerin ein.

Im Sinne der Allgemeinen Relativitätstheorie muss das Umkreisen und erst recht das Verschmelzen wegen der gewaltigen Gravitation dieser massereichen Objekte enorme Verformungen des Raum-Zeit-Gefüges, also „gigantische“ Gravitationswellen erzeugen. Tatsächlich sind diese Verformungen gemessen an menschlichen Maßstäben unglaublich winzig, selbst bei solchen kosmischen Katastrophen. Einstein hielt sie deshalb auch für unmessbar. Inzwischen hat die experimentelle Wissenschaft bewiesen, dass man es mit den richtigen Instrumenten doch schafft. Bei den Neutronensternen soll vielleicht schon kommenden Herbst klappen, was im September 2015 bei Schwarzen Löchern klappte: Das Einfangen echter Gravitationswellensignale!

Rechnen mit den Feldgleichungen

Maßgeblich für die Vorhersage einer bestimmten Wellenform sind die Einsteinschen Feldgleichungen. Sie beschreiben, wie die Raumzeit unter bestimmten Bedingungen aussehen muss. „Wir haben schon einige Formen vorliegen, die ganz gut funktionieren“, sagt Hinderer. Durch den Vergleich mit numerischen Simulationen, also mit bestimmten Computermodellen von Vorgängen im All, sollen diese noch verbessert werden. Unterstützung bekommen die Golmer von Kollegen an der University of California in Berkeley und von der japanischen Universität in Kyoto.

Die physikalischen Effekte seien eigentlich sehr gut verstanden. „Das Modell sagt: Wenn sich der Zustand der Materie so und so verändert, müsste sich auch die Wellenform entsprechend ändern.“ Hinderer und ihre Kollegen schauen zum Beispiel, was bei einer ganz bestimmten Zusammensetzungen solcher Doppelsternsysteme geschehen müsste oder wie sich andere Massenverhältnisse oder Drehimpulse und nicht zuletzt die Verformungen der Neutronensterne auf die Gravitationswellen auswirken müsste. Mit verschiedenen Modellrechnungen legen sie letztendlich Vorschläge für verschiedener Wellenbilder innerhalb einer möglichen Bandbreite vor. Welche dieser Vorschläge den tatsächlichen Gravitationswellen entspricht, müssten die wieder in Betrieb genommenen Detektoren zeigen. Von denen gibt es zwei in den Vereinigten Staaten, nämlich die beiden Ligo-Detektoren, einen in Italien, den sogenannten Virgo-Detektor in Santo Stefano a Macerata, der derzeit aufgerüstet wird, und einen in Japan, Kagra in der Präfektur Gifu. Die Arme des Letzteren, durch die Laserlicht als Messinstrument schießt, sind drei Kilometer lang.

Viel spannender als Schwarze Löcher

Die tatsächliche Wellenform, die diese Detektoren vielleicht schon Ende dieses Jahres, vielleicht auch erst 2017 wahrnehmen, erlaube Rückschlüsse auf die Materie im Innern der Neutronensterne machen. Auch hier wende man einfach die Einsteinschen Feldgleichungen an, sagt Hinderer.

„Das charakteristische Signal ist bei den Neutronensternen wahrscheinlich noch viel interessanter als das bei schwarzen Löchern“, so die Wissenschaftlerin. Besonders spannend sei, dass Neutronensterne im Gegensatz zu Schwarzen Löchern auch noch elektromagnetische Strahlung aussenden, die parallel zu den Gravitationswellen analysiert werden könnte. Hinderer erwartet deshalb, dass wir durch die fortschreitende Astrophysik mit Gravitationswellen-Detektoren viel über das Universum erfahren. Nicht nur über die einzelnen Lebensphasen eines Sterns, sondern auch über die Anfänge des Alls. Dieses sei ja auch unglaublich dichte Materie gewesen. Dicht sei auch die Materie in Neutronensternen. Wenn sie durch ihre Signatur in Form von Gravitationswellen ihr Profil darstellten, ließen sich fundamentale Fragen zum Kosmos beantworten.

Von Rüdiger Braun

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