Von Feldtheorie zu relativistischen Supraflüssigkeiten

Supraflüssigkeit ist ein Phänomen, welches in einer Vielzahl physikalischer Systeme auftritt. Kritische Temperaturen bekannter Supraflüssigkeiten erstrecken sich dabei über 17 Größenordnungen (von etwa 200 nK für kalte atomare Gase bis hin zu 1010 K für Kern- und Quarkmaterie). Auf makroskopischer Ebene werden Supraflüssigkeiten üblicherweise durch ein Zwei-Flüssigkeiten- Modell beschrieben. Hierbei wird das Fluid formal in einen supraflüssigen und einen normalflüssigen Anteil aufgeteilt. Auf mikroskopischer Ebene ist der Mechanismus, der zu Supraflüssigkeit führt ebenfalls gut verstanden: Die spontane Brechung einer kontinuierlichen Symmetrie durch ein Bose- Einstein-Kondensat sowie die Abwesenheit elementarer Anregungen die zu Dissipation führen könnten ermöglichen einen reibungslosen Transport der zugehörigen Ladung. Wie sich die mikroskopische Beschreibung einer Supraflüssigkeit in eine makroskopische (hydrodynamische) Beschreibung übersetzten lässt, ist allerdings nach wie vor nicht vollständig untersucht. Zusätzlich kommt es oft zu Missverständnissen, da die Forschung an mikroskopischen und makroskopischen Modellen jeweils auf eine eigenständige Terminologie zurückgreift. Im Zuge meines Doktorats habe ich mir daher in den letzten Jahren zum Ziel gesetzt, erstmals eine explizite Übersetzung einer mikroskopischen (relativistischen) Quantenfeldtheorie in eine hydrodynamische Beschreibung bereit zu stellen und phänomenologische Aspekte der Supraflüssigkeit in diesem Zugang zu studieren. Da vermutet wird, dass dichte Sternmaterie im Grundzustand supraflüssig ist, möchte ich nun die gewonnenen Resultate sukzessive auf eine Reihe faszinierender astrophysikalischer Phänomene anwenden und strebe dazu die Zusammenarbeit mit Experten auf dem Gebiet der Physik kompakter Sterne am Institute for Nuclear Theory (INT) in Seattle an. Das von mir vorgeschlagene Projekt soll in zwei Phasen durchgeführt werden: Zunächst muss die vorhandene Übersetzung in hydrodynamische Gleichungen erweitert werden um die physikalischen Gegebenheiten im Inneren von kompakten Sternen möglichst vollständig zu beschreiben. Ausgestattet mit einem solchen Framework sollen in einem zweiten Schritt beobachtbare Phänomene wie zum Beispiel Pulsar glitches oder die sogenannte r-mode Instabilität untersucht werden. Hierbei sind insbesondere die Physik der Kruste, Kopplungseffekte zwischen einzelnen Fluidkomponenten und Vortices von großer Relevanz. Die in diesem Antrag vorgeschlagene Forschung soll auch Beiträge zur fruchtbaren Symbiose zwischen Astrophysik und fundamentaler Kern- und Teilchenphysik leisten: Ein tieferes Verständnis von dichter Kernmaterie erlaubt eine genauere Modellierung von kompakten Sternen während gleichzeitig Beobachtungen kompakter Sterne als Tests für fundamentale Theorien herangezogen werden können. In beiden Fällen stellen Supraflüssigkeiten ein wichtiges Bindeglied dar.

Neutronensterne entstehen aus besonders massereichen Sternen, die am Ende ihres Lebenszyklus unter ihrer eigenen Gravitation kollabieren. Neben schwarzen Löchern zählen sie zu den dichtesten Objekten im Universum, rotieren mit enormen Geschwindigkeiten, und weisen extrem starke Magnetfelder auf. Am 17. August 2017 ist es erstmals gelungen, die Kollision zweier Neutronensternen mit verschiedenen Instrumenten und Detektoren zu observieren. Diese spektakuläre Beobachtung hat die Möglichkeit aufgezeigt, Neutronensterne und deren Kollisionen als Laboratorien zu verwenden, um möglichst viel über die Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen zu lernen. Viele Eigenschaften von Neutronensternen lassen sich besonders gut in einem hydrodynamischen Modell beschreiben. Hydrodynamik beschreibt Flüssigkeiten mit Hilfe von einfachen Gleichungssystemen, welche die Erhaltung von Masse, Impuls und Energie beinhalten. Diese müssen an das jeweilige physikalische System angepasst werden. Um eine solche Anpassung vorzunehmen, müssen die mikroskopischen Eigenschaften des betrachteten Systems im Detail verstanden werden. Eine möglichst adäquate hydrodynamische Beschreibung von Neutronensternen stellte das Primärziel dieses Projekts dar. Deren komplexer mikroskopischer Aufbau machte es erforderlich, mehrere Flüssigkeitskomponenten zu betrachten, die nebeneinander koexistieren oder miteinander wechselwirken. Zusätzlich mussten makroskopische Quantenphänomene, insbesondere Suprafluidität (der Fluss ohne jede innere Reibung), berücksichtigt werden. Die gewonnenen Ergebnisse sollen unter anderem dazu beitragen, Änderungen in der Rotation von Neutronensternen besser zu verstehen, Oszillationen von Neutronensternen mit der Emission von Gravitationswellen zu verknüpfen, und eine genauere Simulation der Kollision zweier Neutronensterne zu erreichen.