Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam entwickeln ein genaues Modell für den Nachweis und die Interpretation von Gravitationswellen, die von Neutronensternen in Doppelsternsystemen abgestrahlt werden. Es beschreibt die Deformation der Neutronensterne kurz vor der Kollision erstmals realistisch. Die Verformung hängt mit der exotischen Physik im Innern der Neutronensterne zusammen und beeinflusst direkt die entstehende Gravitationswelle. Deshalb können nun genauere wissenschaftliche Informationen aus den Signalen gewonnen werden. Dies wird verlässlichere Messungen ermöglichen und zu einem besseren Verständnis der Eigenschaften dieser dichtesten Objekte unseres Universums führen.

Mit dem ersten Nachweis von Gravitationswellen verschmelzender schwarzer Löcher, die im Februar dieses Jahres bekannt gegeben wurde, begann die Ära der Gravitationswellenastronomie – eine einzigartige Methode zur Erforschung der gewaltigsten astrophysikalischen Prozesse. Eine viel versprechende Quelle von Gravitationswellen sind kollidierende Neutronensterne. Sie gehören zu den exotischsten Objekten im Universum: Bei einem Durchmesser von weniger als 20 Kilometern kann ihre Masse bis zum Doppelten der Sonne betragen. Der Zustand solch extrem dichter Materie ist schon seit Jahrzehnten ein ungelöstes Rätsel. Könnten wir in das Innere von Neutronensternen schauen, so könnten wir die rätselhafte Physik dieser extremen Himmelskörper verstehen. Gravitationswellen-Astronomie wird das ermöglichen, denn auch beim Verschmelzen zweier Neutronensterne entstehen Wellen in der Raumzeit. Sie tragen charakteristische Informationen über die Neutronensterne selbst. Allerdings sind diese astrophysikalischen Signale schwach im Vergleich zum Detektorrauschen. Dennoch ist es möglich, mit genauen theoretischen Modellen der erwarteten Signale die Wellen aus dem Rauschen herauszufiltern und zu analysieren.

Das „Effective One Body-Modell“ für Doppelsysteme schwarzer Löcher, entwickelt am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und der Universität Maryland, war für die Analyse besonders wichtig. Damit optimierten die Forschenden die statistische Signifikanz des Signals und zogen so den größtmögliche Erkenntnisgewinn aus dem kürzlich erfolgten erstmaligen direkten Nachweis von Gravitationswellen mit den LIGO-Detektoren.

Die neue Arbeit erweitert das Effective One Body-Modell auf Neutronensterne und untersucht, wie sich deren physikalisches Verhalten auf die Gravitationswellen auswirkt. Umkreist ein Neutronenstern ein anderes kompaktes Objekt – einen zweiten Neutronenstern oder ein schwarzes Loch - so wird er aufgrund der Gezeitenkräfte deformiert (s. Abb. 1).

Dieser Effekt erinnert an die Meeresgezeiten auf der Erde, hier verursacht durch die Anziehung des Mondes. In ähnlicher Weise verformt sich der Neutronenstern als Reaktion auf seinen Begleiter. In mehreren früheren Studien wurde dieser Effekt untersucht. Die vorliegende Arbeit verbessert die Modellierung der Gezeiteneffekte deutlich, denn nun werden auch innere Schwingungen des Neutronensterns berücksichtigt. Diese entstehen, wenn die Gezeitenkraft des Begleiters sich mit einer Frequenz ändert, die der Eigenfrequenz des Neutronensterns nahekommt. Ein Vergleich: ein Spielmannszug kann eine Brücke in Schwingungen versetzen, wenn er mit einer Schrittfrequenz marschiert, die der Eigenfrequenz der Brücke entspricht.

Die Eigenfrequenz von Neutronensternen liegt im kHz-Bereich und wird erreicht, kurz bevor der Neutronenstern und sein Begleiter verschmelzen. Dann umkreist der Neutronenstern den zweiten Stern in weniger als einer Millisekunde und mit etwa der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit. Sowohl die Stärke der Deformation als auch die Eigenfrequenz des Neutronensterns hängen direkt mit den mikrophysikalischen Eigenschaften der Neutronensternmaterie zusammen. Jede Veränderung durch den Gezeiteneffekt hinterlässt deutliche Spuren in den Gravitationswellen, die von dem Doppelsternsystem emittiert werden. So können Gravitationswellen das exotische Innere der Neutronensterne enthüllen.

„Unser detailliertes Modell zeigt, wie die Wellenformen genau aussehen und wonach wir in den Daten suchen müssen“, sagt Dr. Andrea Taracchini, Co-Autor der Studie und Wissenschaftler in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI. „Wir haben unser Modell mit Ergebnissen numerischer Simulationen von unseren Kooperationspartnern aus den USA und Japan verglichen. Es stimmt besser mit den numerischen Resultaten überein als Modelle, die die Eigenfrequenz nicht berücksichtigen.“ „Das bedeutet, dass unser Modell echte physikalische Effekte abbildet,“ sagt Dr. Tanja Hinderer, Hauptautorin der Veröffentlichung. Sie ist Wissenschaftlerin an der University of Maryland und derzeit langfristig zu Besuch am AEI. „Zwar bieten numerische Simulationen die realistischsten Vorhersagen für die Gravitationswellen, sie sind aber zu aufwändig, um genügend Wellenformen für die Detektoren zu liefern. Das nun entwickelte analytische Modell kann nicht nur sehr viel mehr Wellenformen generieren, sondern auch bestimmte Charakteristika der Wellen physikalisch erklären.“

Die Suche und Analyse von Gravitationswellen erfordert detaillierte Kenntnisse über eine enorme Anzahl unterschiedlicher Wellenformen. Es müssen sehr viele verschiedene Parameterkombinationen – unterschiedliche Zusammensetzungen des Doppelsternsystems, verschiedene Massenverhältnisse, Eigendrehimpulse und dynamische Verformungen der Neutronensterne - berechnet werden. Mit dem entwickelten analytischen Modell können viele tausend Wellenformen innerhalb kurzer Zeit berechnet werden; mit diesen Schablonen werden dann die Daten der Gravitationswellendetektoren wissenschaftlich ausgewertet.