Viele Wege führen zu Schwarzen Löchern – die häufigste Entstehung erfolgt, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren (stellare Schwarze Löcher). In den letzten Jahren konzentriert sich die Forschung jedoch besonders auf die Entstehung Schwarzer Löcher durch die Verschmelzung von Neutronensternen. Ein internationales Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik hat nun einen bahnbrechenden Fortschritt erzielt.
Simulationsrekord
Dass Schwarze Löcher durch Neutronensternverschmelzungen entstehen können, ist nicht neu. Die aktuelle Simulation liefert jedoch erstmals ein vollständiges, konsistentes Modell des gesamten Prozesses – von der Annäherung der Neutronensterne über die Verschmelzung bis zur Bildung des Schwarzen Lochs. Frühere Simulationen waren kürzer oder vernachlässigten wichtige Effekte wie Neutrinos oder Magnetfelder.
„Es ist extrem schwierig, Multi-Messenger-Signale verschmelzender Neutronensterne aus grundlegenden physikalischen Prinzipien vorherzusagen. Das ist uns jetzt gelungen“, erklärt Kota Hayashi, Postdoktorand in der Abteilung Numerische und Relativistische Astrophysik am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. „Mit dem Supercomputer Fugaku in Japan haben wir die bisher längste und komplexeste Simulation verschmelzender Neutronensterne durchgeführt.“
Damit markiert die Simulation einen technischen Meilenstein: Erstmals wurde ein Echtzeitverlauf von 1,5 Sekunden simuliert. Zudem integrierte das Team alle relevanten physikalischen Modelle in einem Durchlauf – die allgemeine Relativitätstheorie, die Neutrinostrahlung und die Magnetohydrodynamik.
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Vollständiger Ablauf
Die Simulation zeigt exakt, wie die Verschmelzung abläuft: Zunächst umrunden sich die Neutronensterne fünfmal, wobei sie sich stetig nähern und Gravitationswellen abstrahlen. Bei der Kollision verschmelzen sie sofort und bilden ein Schwarzes Loch.
Nach der Verschmelzung entsteht eine Materiescheibe um das Schwarze Loch, in der Magnetfelder durch Rotation und Dynamoeffekte verstärkt werden. Dadurch bildet sich entlang der Rotationsachse ein gebündelter, energiereicher Materiestrom. Die Forschenden vermuten, dass dieser Jet einen Gammastrahlenblitz auslöst.
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Revolutionärer Schritt für die Wissenschaft
Die Ergebnisse ermöglichen eine detaillierte Beobachtung und Untersuchung von Gravitationswellen, Neutrinos und elektromagnetischen Signalen. Sie bilden die Grundlage für präzisere Vorhersagen künftiger kosmischer Ereignisse.
„Unsere neue Simulation zeigt den Doppelstern konsistent in allen Phasen seiner Entwicklung: Annäherung, Verschmelzung und die Zeit danach mit der Entstehung eines Jets. Sie liefert das erste vollständige Bild des gesamten Prozesses und damit wertvolle Informationen für künftige Beobachtungen solcher Ereignisse“, so Hayashi.
Quelle: Max Planck Gesellschaft
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