Experten haben eine längere und komplexere Simulation als je zuvor verwendet, um die Kollision eines binären Neutronensterns zu modellieren, die zur Entstehung eines Schwarzen Lochs und eines Materiestrahls führt. Das Ergebnis könnte künftige Beobachtungen dieser Kollisionen, für die der theoretische Hintergrund noch sehr lückenhaft ist, erheblich verbessern.
Die ersten Beobachtungen von Gravitationswellen aus Neutronensternkollisionen markierten einen Wendepunkt in der Astronomie und die Geburtsstunde der Mehrkanalastronomie. Dies bedeutet, dass das Universum nicht mehr nur durch elektromagnetische Wellen (einschließlich Licht), sondern auch durch Gravitationswellen und Neutrinos untersucht wird.
Neutronensterne sind das Ergebnis von Supernova-Explosionen massereicher Sterne. Sie sind extrem dichte Objekte mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Ein Teelöffel Neutronensternmaterie wiegt so viel wie ein Berg. Die Kollision von Neutronensternen ist ein äußerst wichtiges Mehrkanalereignis, da sie Gravitationswellen und Gammastrahlen aussendet und viele schwere chemische Elemente wie Gold und Platin erzeugt. Bei dieser Kernumwandlung werden auch Neutrinos (extrem leichte Teilchen, die kaum mit der Materie wechselwirken) in das Universum freigesetzt.
Selbst wenn man es so beschreibt, scheint es nicht einfach zu sein, und die Simulation des entscheidenden 1,5-Sekunden-Chaos, in dem dies geschieht, stößt an die Grenzen unseres fortschrittlichsten Verständnisses der Physik. Die Forscher nutzten Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die Neutrinoemission und die Wechselwirkung starker Magnetfelder mit der hochdichten Materie in fusionierenden Neutronensternen als Grundlage für ihre Arbeit.
Um 1,5 Sekunden zu simulieren, wurden 130 Millionen CPU-Arbeitsstunden benötigt, wobei 20-80 Tausend Prozessoren auf dem Fugaku-Supercomputer zum Einsatz kamen. Das Ergebnis ist die bisher detaillierteste Simulation einer solchen Kollision. "Die Vorhersage des Mehrkanalsignals von Neutronensternkollisionen ist aus fundamentaler Sicht extrem schwierig. Aber jetzt ist es uns gelungen", sagt Kota Hayashi, Forscher in der Abteilung Computational Relativistic Astrophysics am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik.
Das Team simulierte zwei Neutronensterne, einen mit der 1,25-fachen und einen mit der 1,65-fachen Masse der Sonne. In den fraglichen 1,5 Sekunden umgingen sich die Neutronensterne fünfmal und verloren dabei an Bahnenergie, während sie Gravitationswellen ausstrahlten. Infolge der Kollision kollabierten die Neutronensterne sofort zu einem Schwarzen Loch und sendeten Gravitationswellensignale aus, die von den heutigen Observatorien nachgewiesen werden können.
Aber es entsteht nicht nur ein schwarzes Loch: Ein Teil des Materials aus der Kollision setzt sich in einer Scheibe um das schwarze Loch ab. Das ohnehin schon starke Magnetfeld der Neutronensterne wird durch das schnell rotierende Schwarze Loch noch verstärkt, das einen weiteren Teil des Materials zu extrem schnellen Strahlen entlang der Rotationsachse formt.
"Wir glauben, dass diese Energie, angetrieben von den Magnetfeldern, die entlang der Achse des Schwarzen Lochs fließen, die Gammastrahlen antreibt", erklärt Masaru Shibata, Direktor der Abteilung für Computational Relativistic Astrophysics. "Dies stimmt mit früheren Beobachtungen überein und bietet weitere Einblicke in das Innenleben von Neutronensternverschmelzungen."
Die Simulation bestätigt die erwartete Neutrinoemission bei solchen Ereignissen, die bisher noch nicht nachgewiesen wurde, sowie das allgemeinere Kilonova-Phänomen, die Bildung einer an schweren Elementen reichen Wolke. "Unser Wissen über die Bildung von Materiestrahlen und die Dynamik von Magnetfeldern ist entscheidend für das Verständnis und die Interpretation von Neutronensternverschmelzungen und verwandten Phänomenen", sagt Masaru Shibata.
