Numerische Simulationen zu verschmelzenden Neutronensternen

Das Ziel des von der EU finanzierten Projekts EOSDNSM (Equation of state dependence of neutron star mergers) bestand in einer Untersuchung von Neutronensternverschmelzungen unter Anwendung numerischer Simulationen. Eine Zustandsgleichung gilt in der Physik als mathematische Beziehung, die zwischen wichtigen Zustandsvariablen wie Druck und Dichte immer zutrifft. Die Untersuchungen lagen zwei Kernzielen zugrunde: Ein tieferes Verständnis der Emission von Gravitationswellen bei diesen Ereignissen sowie eine Untersuchung der Bedeutung von Verschmelzungen bei der Produktion von Schwerelementen, die durch den schnellen nuklearen Neutronen-Einfangprozess gebildet werden.

Das Projektteam führte eine Vielzahl an Simulationen zu Neutronensternverschmelzungen mit vielen verschiedenen temperaturabhängigen Zustandsgleichungen und mit systematisch variierten binären Massen durch. Die Gravitationswellenspektren wurden analysiert und es wurden empirische Beziehungen für unterschiedliche Merkmale des Spektrums abgeleitet.

Es wurden Oszillationsmodi und dynamische Merkmale der Verschmelzungsüberbleibsel identifiziert und mit Merkmalen des Gravitationswellensignals in Verbindung gebracht. Die simulierten Gravitationswellensignale wurden in analytischen Studien zu Gravitationswellendaten verwendet, um deren Erkennbarkeit und die erwartbare Erkennungsgeschwindigkeit zu erforschen.

Der erweiterte Satz von Verschmelzungssimulationen hat die bisherigen Erkenntnisse über eine enge Verbindung zwischen der vorherrschenden Oszillationsfrequenz der Gravitationswelle und den Radien von Neutronensternen bestätigt. Die Ableitung von Neutronensternradien anhand von Gravitationswellenbeobachtungen basiert auf einer Präzisierung dieser Beziehung. Die Projektergebnisse werden daher eine genaue Messung von Neutronensternradien vereinfachen. Eine Bestimmung der maximalen Masse von Neutronensternen, die ebenfalls durch die Projektergebnisse unterstützt wird, wird sich auf die Physik zur Materie mit hoher Dichte auswirken.

Die EOSDNSM-Ergebnisse haben ein Verständnis darüber ermöglicht, welche der verschiedenen Mechanismen besonders gut für ein bestimmtes Binärsystem und für eine bestimmte Zustandsgleichung geeignet sind. Dies führte zu einem einheitlichen Klassifizierungsschema zur Dynamik und Gravitationswellenemission nach der Verschmelzung.

Die Arbeit wird zu einem besseren Verständnis der relevanten nuklearen Reaktionen während Verschmelzungen und der diesen zugrunde liegenden theoretischen Kernmodelle beitragen. Das Finden einer klaren Gleichung zur Zustandsabhängigkeit der Ejektaeigenschaften ist sowohl für chemische Evolutionsmodelle als auch für die Interpretation zukünftiger Beobachtungen von elektromagnetischen Pendants von Bedeutung.