• Wie kann man die Eigenschaften von Neutronensternen berechnen?

Die Berechnung von Neutronensternen

Leider ist die exakte Berechnung der Eigenschaften von Neutronensternen sehr schwierig. Man versteht zwar bereits viel darüber, wie sie entstehen, und ihre grundlegenden Eigenschaften. Es gibt aber auch noch offene Fragen. Was man zum Beispiel gerne kennen würde, ist der detaillierte Zusammenhang zwischen ihrer Größe, ihrer Masse und dem inneren Aufbau. Was man dazu braucht, ist die sogenannte Zustandsgleichung der Starken Wechselwirkung. Diese zu berechnen stellt sich als sehr schwierig heraus, weil in einem Neutronenstern sehr große Drücke herrschen. Man greift deshalb zur Beschreibung dieses Zustands sehr oft auf Modelle zurück, welche aber nur beschränkte Einsichten ermöglichen. Für solche Modellrechnungen ist es wichtig, auch Vergleiche mit Experimenten zu haben. Ein wichtiger Schritt in der Vergangenheit war die Entdeckung eines Neutronensterns von zwei Sonnenmassen. Bis damals war man davon ausgegangen, dass so schwere Neutronensterne gar nicht existieren. Die Existenz dieses Neutronensterns hat auf einen Schlag eine Reihe von Modellen für ungültig erklärt und sämtliche neuen Modelle müssen sich daran messen, ob sie die Existenz eines solchen Neutronensterns ermöglichen.

In Graz verfolgen wir zwei modellunabhängige Zugänge. Einmal verwenden wir eine Methode, welche bei kleinen Drücken sehr gut funktioniert. Allerdings gibt es ein mathematisches Problem, welches verhindert, diese Methode bei großen Drücken, wie sie in einem Neutronenstern herrschen, einzusetzen. Wir versuchen nun, die Methode entsprechend anzupassen. Das ist ein schwieriges Unterfangen, an dem weltweit Dutzende Forschergruppen mit ganz verschiedenen Ansätzen arbeiten. Manche gehen das Problem sehr mathematisch an und versuchen, die Methode entsprechend zu erweitern. Andere behalten die Methode bei, versuchen aber die Theorie umzuschreiben. Teilweise müssen dafür sehr aufwändige numerische Rechnungen durchgeführt werden, für die sehr viele schnelle Computer, die einem Cluster zusammen geschlossen werden, nötig sind. Teilweise ist aber auch viel Arbeit mit Papier und Bleistift erforderlich, um die entsprechenden mathematischen Formulierungen auszuarbeiten.

In einem anderen Zugang verwenden wir eine Methode, die prinzipiell auch bei großen Drücken funktioniert. Allerdings verstehen wir ganz allgemein diese Methode noch nicht ausreichend, um sie bereits zuverlässig einzusetzen. Wir untersuchen daher noch einfachere Szenarien, zum Beispiel bei niedrigen Drücken, und entwickeln in diesen die Methode weiter. Diese Methode ist zwar seit langem bekannt, doch gab es erst in den letzten 10 bis 20 Jahren entscheidende Fortschritte, welche die heutigen Rechnungen möglich machen.

In einer Mischvariante verfolgen wir den Zugang, beide Methoden zu vergleichen. Dazu ersetzen wir die Theorie der Starken Wechselwirkung durch eine andere aber sehr ähnliche Theorie, für welche das Problem der ersten Methode nicht auftritt und Rechnungen durchgeführt werden können. Das hat auch den Vorteil, dass man bereits Erfahrungen sammeln kann, was man bei Berechnungen bei großen Drücken berücksichtigen muss, welche dann, wenn das Problem für die Starke Wechselwirkung einmal gelöst ist, nützlich sind. Die zweite Methode profitiert in dieser Variante davon, dass wir sie ebenfalls ausprobieren und mit Ergebnissen von einer anderen Methode vergleichen können. Wir können dadurch abschätzen, wie gut wir sie schon unter Kontrolle haben.

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