Wenn Schwarze L?cher und Neutronensterne aufeinanderprallen, dann bebt die Raumzeit: Die Verschmelzung dieser Himmelsk?rper setzt nicht nur riesige Energiemengen frei, die sich als Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum ausbreiten und von Gravitationswellenobservatorien wie LIGO und Virgo – und in Zukunft auch mit dem Einstein-Teleskop – erfasst werden k?nnen. Bei den Kollisionen von Neutronensternen und Schwarzen L?chern wird zudem Materie ins All geschleudert, was elektromagnetische Strahlung wie Gammastrahlen, R?ntgenstrahlen und sichtbares Licht erzeugt. Diese kann von bodengestützten Observatorien wie dem Very Large Telescope der ESO und von weltraumgestützten Observatorien wie dem James Webb Space Telescope der NASA erfasst werden.

Wo entstehen Seltene Erden und Gold?

Sowohl die Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung der Neutronensternverschmelzung enthalten Informationen über die extremen physikalischen Zust?nde, die sich auf der Erde selbst nicht reproduzieren lassen. Ein Beispiel dafür ist der noch immer unbekannte Ursprung Seltener Erden oder von Metallen wie Gold im Universum, die wahrscheinlich w?hrend solcher Verschmelzungen entstehen.

?Voraussetzung für solche grundlegenden Entdeckungen ist, dass wir die Informationen in den Gravitationswellen und der elektromagnetischen Strahlung lesen und richtig interpretieren k?nnen?, sagt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi von der Universit?t Jena. Zwar k?nnen die unterschiedlichen Signale inzwischen zusammen empfangen werden. Sie umfassend zu analysieren, bleibt jedoch eine Herausforderung, erkl?rt der Professor für Theoretische Physik und Gravitationstheorie.

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der US-amerikanischen Pennsylvania State University hat Bernuzzi ein neues Forschungsprojekt gestartet, das genau hier ansetzt: Das Projekt ?Multimessenger Astronomy of Neutron Star Mergers with Numerical Relativity? soll den theoretischen Rahmen entwickeln, der für die Interpretation zukünftiger Beobachtungen notwendig ist. Das Projekt wird im Rahmen des F?rderprogramms ?NSF-DFG Funding Opportunity for Collaborations in Physics? durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Uni Jena mit rund 300.000 Euro gef?rdert.

?ffentlich zug?ngliche Datenbank mit 1.000 Simulationen

Ein wesentlicher Bestandteil des Projekts ist der Aufbau einer ?ffentlich zug?nglichen Datenbank mit etwa 1.000 Simulationen von Neutronenstern- und Schwarzer-Loch-Neutronenstern-Verschmelzungen. Die Forschenden wollen die verschiedenen Bedingungen von Sternverschmelzungen untersuchen. Beispielsweise wollen sie herausfinden, welche Massen die kollidierenden Objekte haben und ob sie überwiegend aus ?traditionellen? Teilchen wie Protonen und Neutronen oder eher aus ?exotischen? Teilchen wie Quarks bestehen. Simulationsdaten und Modelle werden eine theoretische Grundlage für die Interpretation künftiger Beobachtungen solcher Ereignisse liefern. So werden beispielsweise Vorhersagen darüber m?glich sein, wie viel Materie von Doppelsternen mit unterschiedlichen Massen ausgesto?en wird, welche Eigenschaften die verschmelzenden Objekte haben und welche charakteristischen Signaturen in den Gravitationswellen zu finden sind.

Im Rahmen des Projekts werden Doktorandinnen und Doktoranden in den Bereichen relativistische Astrophysik, numerische allgemeine Relativit?tstheorie, Str?mungsmechanik, Hochleistungsrechnen und maschinelles Lernen ausgebildet. ?Das Team und das Projekt werden erheblich von der sich erg?nzenden Expertise der beiden Gruppen profitieren?, erwartet Prof. Bernuzzi. ?Darüber hinaus erm?glichen die F?rdermittel den Austausch von Masterstudierenden zwischen den beiden Universit?ten. Bachelorstudierende haben so die gro?artige Gelegenheit, verschiedene Forschungsumgebungen und Lebensweisen kennenzulernen.?