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Kollision von Neutronensternen Was bei einem Sternen-Crash geschieht

| Autor/ Redakteur: Lisa Pietrzyk* / Christian Lüttmann

Ihr Zusammenstoß brennt heißer als der Kern der Sonne: Bei der Kollision von Neutronensternen werden enorme Energien frei. Das kosmische Ereignis ist aber extrem selten und daher nur schwer zu untersuchen. Nun hat ein internationales Forscherteam den Sternen-Crash im Miniaturformat modelliert und mit einer Spezialkamera verfolgt. So ließ sich erstmals die Temperatur einer solchen Sternenkollision berechnen.

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Illustration von zwei fusionierenden Neutronensternen (für mehr Details, bitte Bild anklicken)
Illustration von zwei fusionierenden Neutronensternen (für mehr Details, bitte Bild anklicken)
(Bild: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)

München – Sie gehören zu den spektakulärsten Ereignissen im Universum: Kollisionen von Neutronensternen. Wenn zwei Neutronensterne zusammenstoßen, wird Kernmaterie in extreme Zustände versetzt. Ein internationales Forscherteam ist den Eigenschaften der durch den Aufprall komprimierten Materie nun auf die Spur gekommen.

Über 110 Wissenschaftler haben seit 1994 am Langzeit-Experiment „Hades“ kosmische Materieformen erforscht. Mit der Untersuchung der elektromagnetischen Strahlung, die bei der Kollision von Sternen entsteht, legte das Team nun den Blick auf die heiße und dichte Interaktionszone von zwei Neutronensternen frei.

Sternenkollision im Mikrokosmos

Direkt beobachten lässt sich eine Sternenkollision nicht – zumal es sich dabei um ein extrem seltenes Ereignis handelt, das in unserer eigenen Galaxie bisher wohl noch nicht einmal vorgekommen ist. Um ein solches Ereignis trotzdem näher zu untersuchen, behalfen sich die Hades-Forscher mit einem Modellversuch: Im Schwerionenbeschleuniger des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt konnten sie Reaktionen erzeugen, deren Dichte und Temperatur den Fusionsprozessen von Neutronensternen ähneln. So ahmten sie auf mikroskopischer Ebene die Bedingungen nach, die bei einer Sternenkollision herrschen.

Wie beim Zusammenstoß von Neutronensternen entsteht beim Aufprall zweier Schwerionen, die sich beinahe mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, elektromagnetische Strahlung. Sie besteht u.a. aus so genannten virtuellen Photonen, die nach einem kurzen Moment wieder in reelle Teilchen zerfallen. Bei Experimenten mit Schwerionen entstehen solche virtuellen Photonen allerdings äußerst selten. „Wir mussten etwa drei Milliarden Kollisionen aufzeichnen und analysieren, um schließlich 20.000 messbare virtuelle Photonen zu rekonstruieren“, sagt Dr. Jürgen Friese, ehemaliger Sprecher der Hades-Kollaboration.

Spezialkamera offenbart Vorgänge in der Kollisionszone

Mit einer speziellen Digitalkamera ermöglicht das Hades-Detektorsystem die Untersuchung von Atomkernen unter hohem Druck, so wie er auch beim Verschmelzen von Neutronensternen entsteht.
Mit einer speziellen Digitalkamera ermöglicht das Hades-Detektorsystem die Untersuchung von Atomkernen unter hohem Druck, so wie er auch beim Verschmelzen von Neutronensternen entsteht.
(Bild: T. Ernsting / HA Hessen Agentur)

Um die seltenen und kurzlebigen virtuellen Photonen aufzuspüren, haben Hades-Forscher der Technischen Universität München (TUM) eine spezielle, eineinhalb Quadratmeter große Digitalkamera entwickelt. Sie zeichnet den so genannten Cherenkov-Effekt auf: Bestimmte Lichtmuster, die von den Zerfallsprodukten der virtuellen Photonen erzeugt werden. „Leider ist das Licht, das von den virtuellen Photonen ausgeht, extrem schwach. Die Kunst bei unserem Experiment lag also darin, die Lichtmuster zu finden“, sagt Friese. „Mit bloßem Auge würde man sie nicht erkennen. Deshalb haben wir ein Verfahren zur Mustererkennung entwickelt, bei dem ein Foto aus 30.000 Pixeln in wenigen Mikrosekunden mit elektronischen Masken abgerastert wird. Ergänzend nutzen wir neuronale Netze und Künstliche Intelligenz.“

800 Milliarden Grad in der kosmischen Küche

Die Rekonstruktion der Wärmestrahlung von komprimierter Materie gilt den Forschern zufolge als Meilenstein für das Verständnis kosmischer Materieform. Sie diente den Wissenschaftlern als Grundlage dafür, die Temperatur des neu entstehenden Systems bei einer Sternenkollision zu berechnen: Demnach herrschen bei einem solchen Ereignis Temperaturen von 800 Milliarden Grad Celsius. Das ist über 50 Mal heißer als der Kern unserer Sonne. Damit zeigte das Hades-Team, dass die untersuchten Fusionsvorgänge tatsächlich die kosmischen Küchen für das das Verschmelzen schwerer Kerne sind.

Originalpublikation: The Hades-Collaboration: Probing dense baryon-rich matter with virtual photons, Nature Physics (veröffentlicht am 29.7.2019); DOI: 10.1038/s41567-019-0583-8

* L. Pietrzyk, Technische Universität München, 80333 München

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