In einer kürzlich durchgeführten Studie der Hamburger Sternwarte, haben Wissenschaftler ihre neu entwickelte Methodik in der numerischen Relativitätstheorie angewendet, um zu identi-fizieren, wie Kollisionen von Neutronensternen kleine Mengen an Materie mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ausstoßen. 

Diese Hochgeschwindigkeitsmaterie erzeugt elek-tromagnetische Blitze, die verräterische Infor-mationen über die Physik solcher heftiger Kollisionen enthalten. Diese Blitze sind die Hauptziele des Satelliten ULTRASAT, der 2027  gestartet werden soll.

Wie Menschen entwickeln sich Sterne:  Sie entstehen im Zusammenbruch kosmischer Gaswolken, sie ent-wickeln sich anschließend aufgrund von nuklearen Verbrennungsprozessen in ihrem Inneren und - sobald ihr Kernbrennstoff nach Millionen von Jahren leer ist - sterben sie. 

Die massereichsten Sterne beenden ihr Leben als spektakuläre Explosionen, die "Supernovae" genannt werden, und diese hinterlassen entweder Schwarze Löcher oder Neutronensterne.

Neutronensterne sind in jeder Hinsicht extrem. Sie haben – trotz ihrer großen Massen von etwa 1,5 Mal so groß wie die Masse unserer Sonne – nur etwa 10 km im Radius und diese Kombination aus großer Masse und geringer Größe erzeugt gigantische Gravitationsfelder. Daher ist die Raumzeit um einen Neutronenstern fast so extrem gekrümmt wie um ein Schwarzes Loch. Darüber hinaus bedeutet diese Massengrößenkombination auch, dass die Materie in einem Neutronenstern um ein Vielfaches dichter ist als im Kern eines Atoms, was sie zur dichtesten Form von Materie im Universum macht.

Viele tausend Neutronensterne wurden bisher beobachtet, und einige von ihnen kreisen um einen Begleit-Neutronenstern. Solche Doppel-Neutronen-stern-Systeme sind sehr wertvolle Laboratorien für die Physik unter den extremsten Bedingungen: 

Sie ermöglichen sehr präzise Messungen von Neutronensternmassen, sie ermöglichen es uns, zu untersuchen, wie sich die dichteste Form von Materie verhält, und ihre Orbitalbewegung kann verwendet werden, um Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu untersuchen. 

Das erste derartige Doppel-Neutronensternsystem wurde 1974 entdeckt, und dieses System bewies nach mehr als einem halben Jahrhundert Zweifel, dass Gravitationswellen wirklich existieren. Diese Bestätigung gab den Bemühungen, Gravitations-wellen von Neutronenstern-Binären direkt mit terrestrischen Laboratorien zu detektieren, viel Schwung. Dieses Ziel wurde schließlich 2017 erreicht: Die LIGO-Virgo-Kollaboration entdeckte die Gravitationswellen von einem inspirierenden Neutronenstern-Doppelstern, und kurz nach der Kollision konnten Teleskope auf der ganzen Welt ein Feuerwerk der Strahlung im gesamten elektro-magnetischen Spektrum beobachten.

Aus solchen Neutronensternkollisionen kann viel über Physik gelernt werden: Neben der Prüfung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bestätigte die erste Beobachtung kollidierender Neutronen-sterne auch, dass solche Kollisionen viele der schwersten Elemente im Universum (Elemente wie Gold und Platin) schmieden und ausstoßen, wo-durch Rosswogs frühere theoretische Vorhersagen bestätigt wurden. Während Materie mit Durch-schnittsgeschwindigkeiten von etwa zwanzig Prozent der Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum ausgeworfen wird, erreicht ein kleiner Bruchteil der Materie mehr als siebzig Prozent der Licht-geschwindigkeit. Da sich diese Materie am schnell-sten ausdehnt, kann ihre elektromagnetische Strah-lung zuerst entweichen. Der israelisch-deutsche ULTRASAT-Satellit, für den DESY Hardware baut, wird 2027 gestartet und diese Mission zielt darauf ab, solche frühen elektromagnetischen Blitze zu erkennen, die kurz nach dem Gravitationswellen-signal einer Neutronensternkollision folgen. Diese Signale enthalten Informationen über die Parameter des zusammengeführten Doppelsternsystems (z. B. das Verhältnis der beiden Neutronensternmassen), aber auch über die Eigenschaften der dichtesten Materiezustände im Universum. Daher ist das Verständnis dieser elektromagnetischen Signale direkt nach einer Neutronensternkollision von grundlegender Bedeutung.

Mehrere Forschungsgruppen, die numerische Relativitätssimulationen von Neutronenstern-kollisionen durchführen, hatten solche schnellen Auswurfe gesehen. Bei herkömmlichen numerischen Relativitätsmethoden ist es jedoch nicht trivial, herauszufinden, wie diese kleinen Mengen schneller Materie tatsächlich gestartet werden. 

Nun wurde kürzlich eine neue Methodik entwickelt, um die allgemeinen relativistischen Fluiddynamik-gleichungen auf eine andere Weise zu lösen. 

Es konnten zwei verschiedene Mechanismen identi-fiziert werden, mit denen schnelle Materie in den Weltraum geschleudert wird. Basierend auf diesen Ergebnissen machte das Forschungsteam de-taillierte Vorhersagen für die elektromagnetische Emission, die von solch schnellen Ejektionen kommen, die Satelliten wie ULTRASAT helfen werden, sie zu erkennen.