Gravitationswellen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Brügmann
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 360292238

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 war ein historischer Durchbruch in der Gravitationsphysik, der 2017 mit einem Nobelpreis gewürdigt wurde. Die ersten Beobachtungen wurden als Signale von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher identifiziert, später folgten Beobachtungen von Neutronensternen. Somit wurde nachgewiesen, dass Binärsysteme in der Tat ausgezeichnete Kandidaten für den Ursprung von Gravitationswellen sind. Im vorliegenden Projekt wurden Binärsysteme untersucht, die von zwei Neutronensternen oder von einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch gebildet werden. Ihre Beschreibung erfolgt in der Allgemeinen Relativitätstheorie und der allgemeinrelativistischen Hydrodynamik. Für die Analyse der Gravitationswellendaten von verschmelzenden Binärsystemen sind numerische Simulationen erforderlich, um das Zwei-Körper-Problem der Einsteinsehen Theorie im Bereich hochdynamischer und starker Felder zu lösen. Das weit gesteckte Ziel ist, theoretische Modelle für die relativistische Dynamik der Binärsysteme, den Verschmelzungsprozess mit Scheibenbildung und Jets, sowie die Erzeugung von Gravitationswellen zu erstellen. Zu Beginn des Projekts zur Vefügung standen zunächst hauptsächlich Binärsysteme zweier Neutronensterne, die gleiche oder vergleichbare Masse haben, keinen Spin aufweisen und quasizirkulären Umlaufbahnen folgen. Im Verlauf des Projekts war es möglich, einige der theoretischen und numerischen Einschränkungen bei der Berechnung von allgemeinrelativistischen Binärsystemen für Neutronensterne aufzuheben. Insbesondere gelang es, die ersten Beispielrechnungen für Neutronensterne mit Spin umfassend zu erweitern. langfristig soll unter Einbeziehung von Spin, ungleichen Massen und Exzentrizität der gesamte Parameterraum von Binärsystemen in der numerischen Relativitätstheorie erschlossen werden und somit die Analyse zukünftiger Beobachtungen von den dazugehörigen Gravitationswellen vorbereitet werden. Zu den wesentlichen Ergebnissen des Projekts gehören Studien zum Effekt von Spin und Exzentrizität auf die erzeugten Gravitationswellen und auf den Ausstoß von Materie. Zudem können Gezeitenkräfte eine wichtige Rolle spielen, für die semianalytische und analytische Modelle entwickelt wurden. Wesentlich für die numerischen Simulationen ist die Konstruktion von physikalisch motivierten Anfangsdaten, wofür unterschiedliche Methoden für großen Spin, große Kompaktheit und große Massenverhältnisse betrachtet wurden. Das Projekt beteiligte sich auch an konkreten Anwendungen für aktuelle Beobachtungen. Die numerischen Daten werden in einer der umfassendsten, öffentlichen Datenbanken für die Verschmelzung von Neutronensternen zur Verfügung gestellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Gravitational waves and mass ejecta from binary neutron star mergers: Effect of large eccentricities. Physical Review D, 98(10).
  Chaurasia, Swami Vivekanandji; Dietrich, Tim; Johnson-McDaniel, Nathan K.; Ujevic, Maximiliano; Tichy, Wolfgang & Brügmann, Bernd
  
• Relevance of tidal effects and post-merger dynamics for binary neutron star parameter estimation. Physical Review D, 98(8).
  Dudi, Reetika; Pannarale, Francesco; Dietrich, Tim; Hannam, Mark; Bernuzzi, Sebastiano; Ohme, Frank & Brügmann, Bernd
  
• Constructing binary neutron star initial data with high spins, high compactnesses, and high mass ratios. Physical Review D, 100(12).
  Tichy, Wolfgang; Rashti, Alireza; Dietrich, Tim; Dudi, Reetika & Brügmann, Bernd
  
• Improving the NRTidal model for binary neutron star systems. Physical Review D, 100(4).
  Dietrich, Tim; Samajdar, Anuradha; Khan, Sebastian; Johnson-McDaniel, Nathan K.; Dudi, Reetika & Tichy, Wolfgang
  
• Quasi-5.5PN TaylorF2 approximant for compact binaries: Point-mass phasing and impact on the tidal polarizability inference. Physical Review D, 99(12).
  Messina, Francesco; Dudi, Reetika; Nagar, Alessandro & Bernuzzi, Sebastiano
  
• Gravitational waves and mass ejecta from binary neutron star mergers: Effect of the spin orientation. Physical Review D, 102(2).
  Chaurasia, Swami Vivekanandji; Dietrich, Tim; Ujevic, Maximiliano; Hendriks, Kai; Dudi, Reetika; Fabbri, Francesco Maria; Tichy, Wolfgang & Brügmann, Bernd
  
• Gravitational waves from binary neutron stars systems. Ph.D. thesis, Friedrich Schiller University, Jena, Germany (2020)
  R. Dudi
  
• Increasing the accuracy of binary neutron star simulations with an improved vacuum treatment. Physical Review D, 102(10).
  Poudel, Amit; Tichy, Wolfgang; Brügmann, Bernd & Dietrich, Tim
  
• Thermodynamics conditions of matter in the neutrino decoupling region during neutron star mergers. The European Physical Journal A, 56(1).
  Endrizzi, Andrea; Perego, Albino; Fabbri, Francesco M.; Branca, Lorenzo; Radice, David; Bernuzzi, Sebastiano; Giacomazzo, Bruno; Pederiva, Francesco & Lovato, Alessandro
  
• Compact binary merger simulations in numerical relativity. Ph.D. thesis, Friedrich Schiller University, Jena, Germany (2022)
  F. Fabbri
  
• High-accuracy simulations of highly spinning binary neutron star systems. Physical Review D, 105(6).
  Dudi, Reetika; Dietrich, Tim; Rashti, Alireza; Brügmann, Bernd; Steinhoff, Jan & Tichy, Wolfgang
  
• Investigating GW190425 with numerical-relativity simulations. Physical Review D, 106(8).
  Dudi, Reetika; Adhikari, Ananya; Brügmann, Bernd; Dietrich, Tim; Hayashi, Kota; Kawaguchi, Kyohei; Kiuchi, Kenta; Kyutoku, Koutarou; Shibata, Masaru & Tichy, Wolfgang
  
• New pseudospectral code for the construction of initial data. Physical Review D, 105(10).
  Rashti, Alireza; Fabbri, Francesco Maria; Brügmann, Bernd; Chaurasia, Swami Vivekanandji; Dietrich, Tim; Ujevic, Maximiliano & Tichy, Wolfgang