Die Multimessenger-Astronomie mit Gravitationswellen begann mit der Beobachtung zweier verschmelzender Neutronensterne am 17. August 2017 [1]. Die beiden LIGO-Detektoren in den USA und der Virgo-Detektor in Italien fingen die Gravitationswellen des nach dem Messdatum GW170817 genannten Signals auf, lokalisierten die Quelle am Himmel, ermittelten ihre Entfernung und ermöglichten die Assoziation mit einem gleichzeitig beobachteten Gammastrahlenblitz. Anschließend beteiligten sich etwa 70 astronomische Observatorien auf der Erde und im All an Folgebeobachtungen. Sie untersuchten dieses Ereignis anhand seiner Abstrahlung im nahezu kompletten elektromagnetischen Spektrum und seiner Neutrino-Emission.

Bei der Kollision entstand eine Kilonova, eine leuchtende Gas- und Staubwolke, die nach der Neutronensternverschmelzung ausgestoßen wurde. Die Strahlung dieser Kilonova deutete darauf hin, dass neutronenreiche Materie aus dem System herausgeschleudert wurde. Dabei entstanden schwere Elemente wie beispielsweise Gold und Uran durch den Einfang von Neutronen. Höchstwahrscheinlich verursachte ein relativistischer Jet - ein stark gebündelter Plasmastrahl, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegte - den kurzen, harten Gammastrahlenblitz.

Verschmelzungen von Neutronensternen sind hervorragende Ziele für die Multi-Messenger-Astronomie, denn sie senden Gravitationswellen, Neutrinos und Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum aus. Aber solche Ereignisse sind vergleichsweise selten: Seit Beginn der Gravitationswellen-Messungen beobachteten die Forschenden zwar mehr als 200 Verschmelzungen schwarzer Löcher, jedoch nur noch eine weitere Neutronenstern-Verschmelzung. Da nur ein Gravitationswellen-Detektor dieses Ereignis (GW190425) nachgewiesen hat [2], ließ es sich nur ungenau am Himmel lokalisieren und ein elektromagnetisches Gegenstück zu diesem Signal konnte nicht gefunden werden.

Um künftige Beobachtungen dieser interessanten Verschmelzungen bestmöglich nutzen zu können, sind genaue Modelle und Vorhersagen der erwarteten Signale erforderlich. Dafür simulieren wir die Verschmelzungen auf Supercomputern und füttern diese mit wichtigen Eigenschaften der Doppelsterne wie Massen, Abstand oder Drehimpuls. Es ist jedoch extrem schwierig und rechenaufwändig, Multi-Messenger-Signale kollidierender Neutronensterne aus grundlegenden physikalischen Prinzipien vorherzusagen. Mit der bisher längsten und aufwändigsten numerisch-relativistischen Simulation ist dies einem internationalen Team unter Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik jetzt gelungen [3]. Dieser Durchbruch ist vergleichbar mit der ersten numerischen Simulation einer kompletten Verschmelzung schwarzer Löcher im Jahr 2005 [4], die sich allerdings physikalisch und mathematisch viel einfacher beschreiben lässt.

Die Simulation – durchgeführt auf dem Supercomputer Fugaku in Japan – zeigt 1,5 Sekunden der Verschmelzung und der Vorgänge danach in Echtzeit (Abb.1). Sie benötigte 130 Millionen CPU-Stunden und beschäftigte zwischen 20.000 und 80.000 CPUs gleichzeitig. Die numerische Simulation berücksichtigt die Effekte von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die Neutrino-Strahlung sowie die Wechselwirkung starker Magnetfelder mit der dichten Materie im Innern der verschmelzenden Neutronensterne.

Die Simulation basiert auf sehr wenigen grundlegenden Annahmen: Untersucht wurden zwei einander umkreisende Neutronensterne mit der 1,25- und 1,65-fachen Masse unserer Sonne mit starken Magnetfeldern. Sie beschreibt, wie sich das Doppelneutronensternsystem im Laufe der Zeit aufgrund fundamentaler physikalischer Prinzipien entwickelt. Die neue Simulation zeigt den Doppelstern konsistent in allen Phasen seiner Entwicklung - von der Annäherung über die Verschmelzung bis zur Entstehung eines Jets in der Zeit danach. In dem Jet schießt die Materie in relativistischer Bewegung in zwei gebündelten Strahlen ins All. Diese Computerberechnung lieferte erstmals ein vollständiges Bild des gesamten Prozesses.

Ein vollständiges Bild

Anfänglich umrunden sich die beiden Neutronensterne fünfmal. Während dieser Annäherungsphase fallen sie aufeinander zu, weil sie Bahnenergie verlieren, die in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird. Weil ihre Gesamtmasse groß ist, kollabiert der Verschmelzungsrest sofort zu einem sich drehenden schwarzen Loch. Die Simulation sagt das entsprechende Gravitationswellen-Signal voraus. Gravitationswellen sind das erste der Multimessenger-Signale, welche wir beobachten können. Sie eignen sich deshalb hervorragend als Indikator für andere Observatorien, Messungen im elektromagnetischen Bereich zu beginnen.

Nach der Verschmelzung bildet sich eine Materiescheibe um das zurückgebliebene schwarze Loch. In der Scheibe wird das Magnetfeld durch das Aufwinden der Feldlinien und Dynamoeffekte verstärkt. Die Wechselwirkung mit dem schnell rotierenden schwarzen Loch intensiviert das Magnetfeld noch weiter. Dadurch strömt Energie entlang der Rotationsachse des schwarzen Lochs heraus – der Jet, der höchstwahrscheinlich einen Gammastrahlenblitz auslöst. Das stimmt mit Erkenntnissen überein, die aus früheren Beobachtungen gewonnen wurden und erlaubt weitere Einblicke in die inneren Abläufe von Neutronensternverschmelzungen.

Unser Team nutzte die Simulation auch, um Vorhersagen über die zu erwartende Abstrahlung von Neutrinos zu machen. Außerdem liefert sie Informationen darüber, wie viel Materie in das interstellare Medium ausgestoßen wird und erlaubt es so, die Kilonova vorherzusagen.

Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Beitrag zur Multimessenger-Astronomie. Es bringt erstmals Vorhersagen von Gravitationswellen, elektromagnetischen Signalen und Neutrino-Emissionen zu einem in sich konsistenten Bild zusammen. Mit der neuen Simulation verstehen wir besser, wie die Jets entstehen und wie die Magnetfelder mit Materie und Raumzeit wechselwirken. Wir werden noch weitere hochauflösende Simulationen für unterschiedliche Anfangsbedingungen durchführen. Die Ergebnisse solcher Berechnungen sind entscheidend für die Interpretation und das Verständnis von verschmelzenden Neutronensternen mit all ihren Begleiterscheinungen.

Literaturhinweise