Simulationen der Verschmelzung binärer Neutronensterne legen nahe, dass künftige Detektoren zwischen verschiedenen Modellen thermonuklearer Materie unterscheiden werden. Mithilfe von Supercomputersimulationen untersuchten die Forscher, wie sich die Verschmelzung von Neutronensternen auf Gravitationswellen auswirkt, und entdeckten dabei einen entscheidenden Zusammenhang mit der Temperatur der Überreste. Diese Forschung könnte zu zukünftigen Fortschritten bei der Erkennung und dem Verständnis thermonuklearer Materie beitragen.

Wenn zwei Neutronensterne einander umkreisen, lösen sie Wellen in der Raumzeit aus, die Gravitationswellen genannt werden. Diese Wellen verbrauchen Energie aus der Umlaufbahn, bis die beiden Sterne schließlich kollidieren und zu einem einzigen Objekt verschmelzen. Mithilfe von Supercomputersimulationen untersuchten Wissenschaftler, wie sich das Verhalten verschiedener Modelle der Kernmaterie auf die nach diesen Verschmelzungen freigesetzten Gravitationswellen auswirkt. Sie fanden einen starken Zusammenhang zwischen der Temperatur des Überrestes und der Frequenz dieser Gravitationswellen. Detektoren der nächsten Generation werden in der Lage sein, zwischen diesen Modellen zu unterscheiden.

Etwa 5 Millisekunden nach der Neutronensternverschmelzung, von oben nach unten gesehen, ein Vergleich der Dichte (rechts) und der Temperatur (links) zweier verschiedener simulierter Neutronensternverschmelzungen (oben, unten). Quelle: Jacob Fields, Pennsylvania State University.

Wissenschaftler nutzen Neutronensterne als Labore, um Kernmaterial unter Bedingungen zu untersuchen, die auf der Erde nicht nachweisbar sind. Sie nutzen aktuelle Gravitationswellendetektoren, um die Verschmelzung von Neutronensternen zu beobachten und zu verstehen, wie sich ultradichte kalte Materie verhält. Allerdings können diese Detektoren das Signal der verschmolzenen Sterne nicht messen. Dieses Signal enthält Informationen über thermonukleare Materie. Zukünftige Detektoren werden noch empfindlicher auf diese Signale reagieren. Da sie auch zwischen verschiedenen Modellen unterscheiden können, deuten die Ergebnisse dieser Studie darauf hin, dass künftige Detektoren Wissenschaftlern dabei helfen werden, bessere Modelle thermonuklearer Materie zu erstellen.

Diese Studie untersuchte Neutronensternverschmelzungen mit THC_M1. THC_M1 ist ein Computercode, der Neutronensternverschmelzungen simuliert und dabei die Krümmung der Raumzeit berücksichtigt, die durch das starke Gravitationsfeld des Sterns und den Neutrinoprozess in dichter Materie verursacht wird. Die Forscher testeten den Einfluss thermischer Effekte auf Verschmelzungen, indem sie die spezifische Wärmekapazität in der Zustandsgleichung variierten, die die Energie misst, die erforderlich ist, um die Temperatur des Materials des Neutronensterns um ein Grad zu erhöhen. Um die Robustheit der Ergebnisse sicherzustellen, führten die Forscher Simulationen mit zwei Auflösungen durch. Sie wiederholten den Lauf mit höherer Auflösung mit einer näherungsweiseren Behandlung von Neutrinos.

Referenzen

„Thermal Effects in Binary Neutron Star Mergers“, von Jacob Fields, Aviral Prakash, Matteo Breschi, David Radice, Sebastiano Bernuzzi und Andréda Silva Schneider, 31. Juli 2023, Astrophysical Journal Letters.

DOI:10.3847/2041-8213/ace5b2

„Identifizierung nuklearer Effekte bei Neutronen-Kohlenstoff-Wechselwirkungen während der Übertragung niedriger dritter Impulse“, bis 17. Februar 2016, „Physical Review Letters“.

DOI:10.1103/PhysRevLett.116.071802

Für diese Arbeit wurden Rechenressourcen genutzt, die vom National Energy Research Scientific Computing Center der Penn State University, dem Pittsburgh Supercomputing Center und dem Institute for Computational and Data Sciences bereitgestellt wurden.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily