Die beste Lösung

Eine neue Ära

4. Oktober 2018 Gravitationswellen

Für Gravitationsphysiker sind es aufregende Zeiten. Zunächst brachte der Nachweis der von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen den US-Amerikanern Rainer Weiss, Kip S. Thorne und Barry C. Barish 2017 den Nobelpreis für Physik ein, dann erfolgte noch im selben Jahr der nächste Paukenschlag: Experten präsentierten erstmals Messungen von Gravitationswellen, die durch den Zusammenstoß von zwei Neutronensternen entstanden waren.

Neutronenstern mit rotem Riesen

So mancher spricht seit 2017 von einer neuen Ära der Astrophysik. Der Nachweis von Gravitationswellen von Schwarzen Löchern, für den es den Nobelpreis gab, war ein erster großer Schritt. Die Entdeckung von Gravitationswellen von Neutronensternen im August 2017 schafft nun vielfältige neue Querverbindungen in der Astrophysik, weil eine ganze Signalpalette der Kollision aufgefangen werden konnte: von den Gravitationswellen über elektromagnetische Wellen in Form von sichtbarem Licht und Radio­signalen bis zu hochenergetischer Gammastrahlung. „Das sind fantastische Daten, die der Wissenschaft neue Erkenntnisse über Gravitationswellen wie auch über die Physik der Neutro­nensterne ermöglichen", erläutert Bernd Brügmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, „sowohl, was die Magnetfelder der Neutronensterne angeht, als auch die Frage, welche Materie bei einer Kollision entsteht und herausgeschleudert wird."

Im Bereich der Theoretischen Physik beschäftigt sich Brügmann mit der Vorhersage und Analyse von Gravitationswellen, die insbesondere bei der Kollision und der Verschmelzung von Neutronensternen entstehen. Dazu entwickelt er Computersimulationen, die hochkomplex und extrem aufwendig sind. Etwa einen Monat rechnet ein moderner Supercomputer an einer Simulation. Lange Zeit waren deshalb nur vereinfachte Beispiele möglich. Neutronensterne mit Drehimpuls, über den eigentlich alle Sterne verfügen, waren praktisch nicht zu rechnen. Dabei beeinflusst gerade die Eigendrehung stark die Verteilung der Materie während und nach der Kollision und somit auch die Gravitationswellen und die elek­tromagnetische Strahlung. Brügmann und sein Kollege Wolfgang Tichy von der Florida Atlantic University in den USA waren 2015 die ersten, die eine Kollision von zwei Neutronensternen mit Drehimpuls komplett simulierten.

Ihre langjährige Kooperation setzen die beiden Experten in einem neuen Projekt fort, das die DFG gemeinsam mit der National Science Foundation (NSF) seit 2017 mit einer Sachbeihilfe fördert. „Neben dem Spin wollen wir unter anderem ungleiche Massen in unsere Rechnungen einbeziehen. Denn Neutronensterne, die miteinander kollidieren, haben nicht zwangsläufig dieselbe Masse", erklärt Brügmann. Das deutsch-amerikanische Team möchte eine Art Katalog für Gravitationswellen erstellen. Dazu verändern die Forscher verschiedene Parameter. Die Ergebnisse der Simulationen werden dann mit tatsächlichen Messdaten verglichen. „So kommen wir der Realität immer ein Stück näher", erläutert Brügmann. „Und wir helfen gleichzeitig mit unseren Ergebnissen anderen Forscherinnen und Forschern, sich auf die Beobachtungen künftiger Gravitationswellen vorzubereiten."

Weitere Informationen