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Type I bursts in 3D

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Modellierung und Simulationen werfen ein neues Licht auf die hochdichte Materie im Kern von Neutronensternen

Infolge der Explosion massereicher Sterne, so genannte Supernovae, bieten Neutronensterne die Möglichkeit, das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Hier entstehen viel höhere Drücke und Dichten, als in irgendeinem Labor zur Verfügung stehen können. Eine EU-Initiative ermöglichte einen Einblick in die Physik dieser bisher wenig verstandenen Aggregatzustände.

Weltraum

Diese Aggregatzustände erzeugen extrem starke Magnetfelder, und es finden sich Superfluide und Supraleiter darin. Vor allem ist die Dichte in ihren Kernen so hoch, dass sehr ungewöhnliche Aggregatzustände auftreten können. „Die möglichen Zustände werden theoretisch immer noch nicht verstanden. Daher stellen Neutronensterne stabile Quellen dar, aus deren Beobachtung wir viel über die Physik bei extremen Dichten lernen können“, sagt Yuri Cavecchi, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat und Leiter des EU-finanzierten Projekts Burst3D. Neutronensterne in Doppelsternsystemen erzeugen extrem helle Röntgenblitze, die auch Typ-I-Bursts genannt werden. Wenn Materie von Begleitsternen aufgrund der starken Schwerkraft auf dem Neutronenstern auftrifft, wird sie bei extrem hohem Druck komprimiert und explodiert infolgedessen. Dabei werden die hellen Röntgenblitze ausgesendet. „Die zeitliche Entwicklung der Intensität dieser Blitze enthält Informationen über den Kern des Neutronensterns aufgrund allgemeiner Relativitätseffekte“, erläutert Cavecchi. „Wir müssen jedoch in der Lage sein, die Entwicklung der Verbrennung und die Temperatur der Oberfläche zu modellieren, um die Informationen, nach denen wir suchen, vollständig erhalten zu können.“

Bursts mit bisher nicht dagewesenen Simulationen

Die Forscherinnen und Forscher haben Computersimulationen von Typ-I-Bursts auf Neutronensternen durchgeführt. Der wichtigste Erfolg dieser Simulationen betrifft die Rolle von Instabilitäten an der Vorderseite der brennenden Flamme. „Die Flamme breitet sich über die Oberfläche aus und entwickelt dabei vorne starke Winde, wo heiße und kalte Flüssigkeiten in Kontakt kommen“, beobachtet Cavecchi. „Diese Konfiguration ist sehr stabil und bricht die Vorderseite in einzelne, kleinere Wirbel auf, ähnlich wie bei Feuerstürmen.“ Nach Cavecchi gibt es zwei Nettoeffekte: „Zum einen bewegen sich diese Wirbel vor der Flammenfront und beschleunigen damit die Ausbreitung stark, wodurch sich der schnelle Anstieg der Blitze erklären lässt. Zum anderen zeigen dieselben Wirbel ein Emissionsmuster, das asymmetrisch ist und möglicherweise Beobachtungen erklären kann, die bei der zeitlichen Entwicklung der Blitzintensität gemacht wurden, und die für das Verständnis der Natur der Materie in den Kernen von Neutronensternen entscheidend sind." Die Wirbel können die direkte Ursache dieser beobachteten Eigenschaften sein, oder Wellen im brennenden Ozean auslösen, die zu diesen Signaturen führen.

Theorie und Beobachtung vereinen

Analysen haben ergeben, wie die Theorie der nuklearen Verbrennung mit der beobachteten Häufigkeit der Zündung von Typ-I-Bursts in Einklang gebracht werden kann und wie Beobachtungen mit Brennparametern verbunden werden können. „Von einem Beobachtungsstandpunkt aus betrachtet, haben verschiedene Quellen unser theoretisches Verständnis von nuklearen Brenn- und Entzündungsprozessen in Frage gestellt“, bemerkt Cavecchi. „Es reichert sich zwar immer mehr Materie an der Oberfläche an, aber einige dieser Quellen weisen entgegen der Intuition immer seltenere Ausbruchsexplosionen auf.“ Die analytischen Berechnungen umfassten die Auswirkungen unterschiedlicher Bedingungen auf der Sternoberfläche und die Rolle der Vermischung von neuem Material mit der Asche aus früheren Ausbrüchen. „Burst3D lieferte Antworten auf offene Fragen zur Burst-Phänomenologie und ebnete den Weg zur Nutzung von Röntgenbeobachtungen bei der Untersuchung des Verhaltens ultradichter Materie in den Kernen von Neutronensternen“, fasst Nils Andersson, Projektkoordinator und Professor für Angewandte Mathematik an der University of Southampton zusammen.

Schlüsselbegriffe

Burst3D, ultradichte Materie, Neutronensterne, Typ-I-Bursts, Röntgenblitze, nukleare Brennprozesse

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