Kollisionen von Neutronensternen bereichern das Universum mehr als die Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit Sternen

Wissenschaftler des MIT, von LIGO und der University of New Hampshire haben die Menge an schweren Elementen berechnet, die bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit Neutronensternen entstehen, und ihre Daten mit der Menge an schweren Elementen verglichen, die bei der Verschmelzung von Neutronensternen entstehen. Hsin-Yu Chen, Salvatore Vitale und Francois Foucart verwendeten fortschrittliche Simulationssysteme und Daten der Gravitationswellenobservatorien LIGO-Virgo.

Derzeit verstehen Astrophysiker nicht vollständig, wie sich Elemente, die schwerer als Eisen sind, im Universum bilden. Es wird angenommen, dass sie auf zwei Arten entstehen. Etwa die Hälfte dieser Elemente wird während des Prozesses s in Sternen mit geringer Masse (0,5-10 Sonnenmassen) in der Endphase ihres Lebens gebildet. Sie sind dann Rote Riesen. Dort findet Nukleosynthese statt, wenn schnelle Neutronen von Nukliden mit geringer Neutronendichte und mittleren Temperaturen eingefangen werden.

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Die andere Hälfte der schweren Elemente wiederum entsteht im schnellen r-Prozess, bei Supernovae und Kilonova-Explosionen. Dann kommt es zu einem schnellen Einfang vieler Neutronen, gefolgt von einer Reihe von Zerfällen, die zur Bildung eines stabilen Elements führen. Für diesen Prozess sind hohe Temperaturen und sehr dichte Neutronenströme erforderlich. Allerdings streiten sich die Wissenschaftler darüber, wo der r-Prozess stattfindet.

Im Jahr 2017 zeichnete LIGO-Virgo eine Neutronensternverschmelzung auf, die zu einer riesigen Explosion, einer sogenannten Kilonova, führte. Damals wurde bestätigt, dass sich bei diesem Prozess schwere Elemente bildeten. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass der r-Prozess auch unmittelbar nach der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch stattfindet.

Die Wissenschaftler vermuten, dass beim Auseinanderreißen eines Neutronensterns durch das Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs eine riesige Menge neutronenreichen Materials ins All geschleudert wird. Die Experten weisen jedoch darauf hin, dass es sich bei diesem Prozess um ein Schwarzes Loch mit einer relativ geringen Masse handeln muss, das sehr schnell rotiert. Ein zu massereiches Schwarzes Loch wird sehr schnell Material aus dem Neutronenstern absorbieren, und nur wenig wird im Weltraum landen.

Chen, Vitale und Foucart waren die ersten, die die Menge an schweren Elementen verglichen, die bei beiden Arten von r-Prozessen entstehen. Dabei testeten sie zahlreiche Modelle, nach denen der r-Prozess ablaufen könnte.

Die meisten der Simulationen zeigten, dass der Weltraum in den letzten 2,5 Milliarden Jahren durch die Verschmelzung von Neutronensternen um 2 bis 100 Mal mehr schwere Elemente angereichert wurde als durch Kollisionen zwischen schwarzen Löchern und Neutronensternen. In Modellen, in denen das Schwarze Loch langsam rotierte, lieferte die Verschmelzung von Neutronensternen doppelt so viele schwere Elemente wie die Verschmelzung von Schwarzem Loch und Neutronenstern. Andererseits entstehen bei Verschmelzungen von Neutronensternen, bei denen das Schwarze Loch langsam rotiert und eine geringe Masse - weniger als 5 Sonnenmassen - hat, bis zu 100-mal mehr schwere Elemente als beim r-Prozess. Die Daten, die wir derzeit haben, schließen die Existenz solcher schwarzer Löcher jedoch eher aus.

Die Autoren der Studie planen bereits, ihre Berechnungen mit Daten von LIGO, Virgo und dem neuen japanischen KAGRA-Detektor zu verbessern. Alle drei Instrumente sollen im nächsten Jahr wieder einsatzbereit sein. Genauere Berechnungen der Produktionsrate schwerer Elemente im Universum werden unter anderem nützlich sein, um das Alter entfernter Galaxien besser bestimmen zu können.