Charakterisierung von Neutronenstern-Mergern

Am 14.9.2015 gelang mit den zwei Advanced-LIGO-Detektoren der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen (GW), wie sie von Einstein vorhergesagt wurden. GW sind Störungen in der Raumzeit-Struktur, die sich wellenartig mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie können durch Bewegungen von sehr massereichen Himmelskörpern, wie Binärsystemen mit schwarzen Löchern, entstehen. Bis jetzt sind drei definitive GW-Ereignisse und ein mögliches Ereignis beobachtet worden, womit eine Ära der GW-Astrophysik angebrochen ist. Wenngleich bislang nur GW vom Verschmelzen (Merger) zweier schwarzer Löcher gemessen wurden, wird erwartet, dass verschmelzende Neutronendoppelsterne und Binärsysteme aus schwarzem Loch und Neutronenstern ebenfalls GW im Frequenzbereich von Advanced LIGO und Virgo aussenden. Die Astrophysik muss also auf die Herausforderung vorbereitet sein, das GW-Signal solcher Vorgänge richtig zu interpretieren, und auch mögliche elektromagnetische Begleiterscheinungen zu beobachten. Die Population verschmelzender Neutronendoppelsterne und Systeme aus Neutronenstern und schwarzem Loch ist immer noch unzureichend untersucht, und auch die typischen Umgebungen der Systeme sind nicht gut bekannt. Dies liegt daran, dass nur wenige aktuelle Demographie-Modelle für solche Binärsysteme in der Literatur zu finden sind. Keines dieser Modelle charakterisiert die Heimatgalaxien der Systeme über die Geschichte des Universums hinweg. Das Ziel des hier beschriebenen Projekts (PopNeS) ist das Studium der Demografie von Neutronendoppelsternen und Binärsystemen aus Neutronenstern und schwarzem Loch mittels bestmöglicher Populationssynthese-Simulationen. Wichtigstes Werkzeug dabei ist unser neuer Code SEVN, in dem moderne Sternenentwicklungsmodelle mit Beschreibungen für die Entstehung von Supernovae und die Doppelsternentwicklung gekoppelt sind. SEVN wurde bereits erfolgreich verwendet, um die Charakteristika der ersten gemessenen GW-Ereignisse vorherzusagen und zu verstehen. Im Rahmen von PopNeS werden wir SEVN u.a. bzgl. der physikalischen Beschreibungen einzelner Vorgänge aktuell halten, und einen großen Satz von Modellen für isolierte Binärsysteme rechnen, um die Entstehung von Neutronendoppelsternen und Systemen aus Neutronenstern und schwarzem Loch zu analysieren. Die Resultate von SEVN werden dann mit offen verfügbaren Ergebnissen anerkannter kosmologischer Simulationen verknüpft, um die kosmische Geschichte von Mergern o.g. Binärsysteme zu rekonstruieren. Unser Vorhaben wird uns u.a. ermöglichen, die Heimatgalaxien von verschmelzenden Binärsystemen mit Neutronensternen zu charakterisieren, und damit wichtige Erkenntnisse für die Suche nach den elektromagnetischen Begleitereignissen zu sammeln. Für den zukünftigen Nachweis von Mergern in diesen Systemen mithilfe bodengebundener GW-Interferometer werden unsere Ergebnisse ebenfalls von substantieller Bedeutung sein.

2015 entdeckte LIGO, das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, zum ersten Mal Fluktuationen in der Raumzeit, die durch Gravitationswellen (GW) verursacht werden, die von zwei kollidierenden schwarzen Löchern in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung erzeugt werden. Dies läutete eine neue Ära für die GW-Astrophysik ein und führte zur Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 2017. Inzwischen hat die LIGO-Virgo-KAGRA-Detektorkollaboration in ihren drei Beobachtungsläufen etwa 90 GW-Ereigniskandidaten entdeckt. Diese "inspiralen" Ereignisse wurden durch umkreisende Paare massereicher und dichter ("kompakter") Objekte wie binäre Schwarze Löcher (BBH), binäre Neutronensterne (BNS) oder Schwarzes-Loch-Neutronenstern-Binäre (BHNS) verursacht. 2015 entdeckte LIGO, das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, zum ersten Mal Fluktuationen in der Raumzeit, die durch Gravitationswellen (GW) verursacht wurden, welche von zwei kollidierenden schwarzen Löchern in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung erzeugt worden waren. Dies läutete eine neue Ära für die GW-Astrophysik ein und führte zur Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 2017. Inzwischen hat die LIGO-Virgo-KAGRA-Detektorkollaboration in ihren drei Beobachtungsläufen etwa 90 GW-Ereigniskandidaten entdeckt. Diese "inspiralen" Ereignisse wurden durch sich gegenseitig umkreisende Paare massereicher und dichter ("kompakter") Objekte wie binäre Schwarze Löcher (BBH), binäre Neutronensterne (BNS) oder Schwarzes-Loch-Neutronenstern-Paare (BHNS) verursacht. Das Ziel des PopNeS-Projekts ist es, mit Hilfe modernster astrophysikalischer Simulationen die Demographie von verschmelzenden BNS- und BHNS-Systemen und die Verbindung zu den Galaxien, in denen sie sich befinden, ihren Wirtsgalaxien, zu verstehen, insbesondere im Zusammenhang mit Modellen zur Sternentstehung und Galaxienentwicklung. Die für das PopNeS-Projekt vorgeschlagene Methode kombiniert Modelle der Sternentwicklung aus Populationssynthese-Simulationen mit Galaxienkatalogen aus kosmologischen Simulationen. Mit diesem Ansatz konnten wir i) die Eigenschaften der Wirtsgalaxien von verschmelzenden kompakten Binärsystemen und ii) die möglichen unterschiedlichen Entstehungskanäle dieser verschmelzenden kompakten Binärsysteme untersuchen. Zu den interessantesten Ergebnissen gehört, dass die Wirtsgalaxien von binären kompakten Objekten dazu neigen, massereich zu sein und elliptische Galaxien (vom frühen Typ) im nahen Universum zu bevorzugen. Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die von LIGO-Virgo-KAGRA entdeckten GW-Ereignisse durch eine Kombination aus binären Systemen, die sich in Sternhaufen gebildet haben, und anderen, die isoliert entstanden sind, beschrieben werden können. Die Ergebnisse von PopNeS ermöglichen es uns, die Eigenschaften der Wirtsgalaxien der kompakten Binärsysteme zu verstehen, und liefern wertvolle Erkenntnisse für die Suche nach elektromagnetischen Gegenstücken, womit ein neuer und lebhafter Bereich wie die GW-Astrophysik eröffnet wird. Die Ergebnisse von PopNeS ermöglichen es uns, die Eigenschaften der Wirtsgalaxien der kompakten Doppelsternsysteme zu verstehen, und liefern wertvolle Erkenntnisse für die Suche nach elektromagnetischen Gegenstücken, womit ein neuer und lebendiger Bereich wie die GW-Astrophysik eröffnet wird.