Forschung im HLRN-Verbund 2011

172Heisser TanzVerschmelzung von NeutronensternenC. Lämmerzahl, S. Rosswog, Universität Bremen,Jacobs University BremenKurzgefasst• Doppelsternsysteme aus Neutronensternen sindLaboratorien für Physik unter extremsten Bedingungen.• Sie sind starke Quellen von Gravitationswellen,die man in naher Zukunft zu detektieren hofft.• Ihre Verschmelzung ist vermutlich verantwortlichfür einige der leuchtkräftigsten Explosionen imUniversum seit dem Urknall.Die Entwicklung von Sternen vollzieht sich in Stadienähnlich denen eines menschlichen Lebens. AmBeginn steht die Geburt eines Sternes durch denGravitationskollaps einer interstellaren Gaswolke.Der Kollaps wird gestoppt, wenn der Gasdruckim Inneren der kollabierenden Region groß genugwird, um der Eigengravitation Paroli zu bieten: ein’Proto-Stern’ ist geboren. Übersteigt die Zentraltemperaturmehrere Millionen Grad, setzt Wasserstoffbrennenein. Diese Brennphase ist die längstein einem Sternenleben. Danach können sich weitereBrennphasen anschließen: ist der Brennstoffvorratder aktuellen Phase aufgebraucht, kommtes zu einer Kontraktion und Temperaturerhöhung,die die nächste Brennphase einläutet, in der die’Asche’ der vorherigen Phase als neuer Brennstoffdient. Wie weit ein Stern in dieser Entwicklungkommt, hängt von seiner ursprünglichen Masseab. Leichte Sterne können bereits nach demHelium- oder Kohlenstoffbrennen nicht weiter kontrahieren,ihre Eigengravitation ist zu schwach. Inihrem Todeskampf stoßen sie ihre äußere Hülleab, zurück bleibt ein ’planetarischer Nebel’, in dessenZentrum der noch glühend heiße Kern desSternes, ein ’Weisser Zwerg’, zurückbleibt. Sterne,die etwa die achtfache Masse unserer Sonneübersteigen, durchlaufen einer Reihe weitererBrennphasen bis sich ein Eisenkern im Zentrumdes Sterns gebildet hat. Eisengruppenelementekönnen aus kernphysikalischen Gründen nicht weiterfusionieren, deshalb wächst der zentrale Eisenkernbis zu einer kritische Masse, bei der er kollabiert.Dieser Kollaps läutet das finale Feuerwerkein, in dem der massereiche Stern sein Leben aushaucht:eine Supernova. Dabei zerstört er einenGroßteil der Elemente, die er über seine Lebenzeitsynthetisiert hat. Zurück bleibt, abhängig von derursprünglichen Sternmasse, entweder ein Neutronensternoder ein Schwarzes Loch.Neutronensterne bestehen, wie im Namen angedeutet,überwiegend, aber nicht ausschliesslich,aus Neutronen. Diese liegen dicht gepackt,wobei die Dichte im Neutronenstern sogar jenein einem Atomkern übersteigt. In diesem Sinnekann man sich einen Neutronenstern als einen gigantischenAtomkern vorstellen, mit einem Radiusvon etwa 15 Kilometern und etwa dem 1.4-fachen der Masse der Sonne. Die Physik in einemNeutronenstern ist in jeder Hinsicht extrem:sein Gravitationsfeld krümmt nach Einsteins Relativitätstheoriedie Raumzeit, sein Magnetfeld kannin Extremfällen jenes der Erde um einen Faktorvon 10 15 übersteigen, und seine zentrale Dichteübertrifft alles, was in Laborexperimenten bei derKollision von Atomkernen erreicht werden kann,um ein Vielfaches.Die Mehrzahl der Sterne im Universum befindetsich Doppel- oder Mehrfachsystemen, einisolierter Stern wie unsere Sonne ist also eherdie Ausnahme denn die Regel. Um ein Doppelsternsystemaus zwei Neutronensternen zu formen,muss das ursprüngliche Sternensystem zweiSupernova-Explosionen überstehen. In der Mehrzahlder Fälle wird das System von der Wuchtder Explosionen zerfetzt, aber in einigen wenigenFällen überlebt tatsächlich ein Doppelsternsystemaus zwei Neutronensternen. Momentansind 10 solcher Systeme bekannt. Diese stellenPhysiklabore von unschätzbarem Wert dar.Das erste derartige System, das entdeckt wurde,der Binärpulsar PSR 1913+16, lieferte die ersten,wenn auch indirekten, Hinweise für die Existenzder von der Relativiätstheorie vorhergesagtenGravitationswellen. Ein solches relativistischesBinärsystem emittiert Energie und Drehimpuls inForm von Gravitationwellen, wodurch die Orbitalbewegunglangsam, aber messbar ’ermüdet’: diebeiden Sterne spiralisieren langsam aufeinanderzu. Für den ersten Nachweis der Existenz vonGravitationswellen wurden die Entdecker des Systems,Russel Hulse und Joseph Taylor, 1993 mitdem Nobelpreis für Physik belohnt. Vor kurzemhaben mehrere bodengebundene Gravitationswellendetektorenihre Arbeit aufgenommen. Die vielversprechendstenSysteme für den ersten direktenGravitationswellennachweis sind Doppelsternsystemeaus Neutronensternen.Gewöhnlich ist es sehr schwierig, die Massenvon Sternen genau zu bestimmen. Bei Doppelsternsystemenkann man über das Dritte KeplerscheGesetz relativ einfach wenigstens die Gesamtmassebestimmen. Bei relativistischen Dop-Physik