800 Milliarden Grad in der kosmischen Küche

Simulation der elektromagnetischen Strahlung

Direkt beobachten lässt sich eine Sternenkollision nicht – zumal es sich dabei um ein extrem seltenes Ereignis handelt, das Schätzungen zufolge in unserer Galaxie, der Milchstraße, noch nicht vorgekommen ist. Die Dichte und Temperatur bei Fusionsprozessen von Neutronensternen ähneln aber denen bei Schwerionenreaktionen. Damit konnte das HADES-Team im Schwerionenbeschleuniger des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt auf mikroskopischer Ebene die Bedingungen nachahmen, die bei einer Sternenkollision herrschen.

Wie beim Zusammenstoß von Neutronensternen entsteht beim Aufprall zweier Schwerionen, die sich beinahe mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, elektromagnetische Strahlung. Sie besteht unter anderem aus sogenannten virtuellen Photonen, die nach einem kurzen Moment wieder in reelle Teilchen zerfallen. Bei Experimenten mit Schwerionen entstehen solche virtuellen Photonen allerdings äußerst selten. „Wir mussten etwa drei Milliarden Kollisionen aufzeichnen und analysieren, um schließlich 20.000 messbare virtuelle Photonen zu rekonstruieren“, sagt Dr. Jürgen Friese, ehemaliger Sprecher der HADES-Kollaboration und Mitarbeiter von Laura Fabbietti, Professorin für Dichte und seltsame hadronische Materie an der TUM.

Mit einer speziellen Digitalkamera ermöglicht das HADES-Detektorsystem die Untersuchung von Atomkernen unter hohem Druck, so wie er auch beim Zusammenstoss von Neutronensternen entsteht. – Bild: Thomas Ernsting / GSI

Photonen-Kamera zeigt Kollisionszone

Um die seltenen und kurzlebigen virtuellen Photonen aufzuspüren, haben Forscherinnen und Forscher der TUM eine spezielle eineinhalb Quadratmeter große Digitalkamera entwickelt. Sie zeichnet den sogenannten Cherenkov-Effekt auf: Bestimmte Lichtmuster, die von den Zerfallsprodukten der virtuellen Photonen erzeugt werden. „Leider ist das Licht, das von den virtuellen Photonen ausgeht, extrem schwach. Die Kunst bei unserem Experiment lag also darin, die Lichtmuster zu finden“, sagt Friese. „Mit bloßem Auge würde man sie nicht erkennen können. Deshalb haben wir ein Verfahren zur Mustererkennung entwickelt, bei dem ein Foto aus 30.000 Pixeln in wenigen Mikrosekunden mit elektronischen Masken abgerastert wird. Ergänzend nutzen wir neuronale Netze und Künstliche Intelligenz.“

Beobachten der Materie-Eigenschaften im Labor

Die Rekonstruktion der Wärmestrahlung von komprimierter Materie gilt als Meilenstein für das Verständnis kosmischer Materieform. Sie diente den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern als Grundlage dafür, die Temperatur des bei einer Sternenkollision entstehenden neuen Systems auf 800 Milliarden Grad Celsius festlegen zu können. Damit zeigte das HADES-Team, dass die untersuchten Fusionsvorgänge tatsächlich die kosmischen Küchen für das das Verschmelzen schwerer Kerne sind.