Geburtsstätte schwerster Elemente - Geplantes Clusterprojekt ELEMENTS erforscht Dynamik von Neutronensternen

Was passiert, wenn Neutronensterne miteinander verschmelzen und dabei Gravitationswellen und schwerste chemische Elemente produzieren? Diese Fragen stehen im Mittelpunkt des geplanten Projekts ELEMENTS, für das Physikerinnen und Physiker der TU Darmstadt gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Goethe-Universität Frankfurt Fördermittel im Rahmen der Förderlinie Clusterprojekte des Landes Hessen beantragt haben. Sie planen damit Arbeiten auf einem Feld, das aktuell im Fokus der Wissenschaft steht: Für ihre Forschung zu den „großen Brüdern“ der Neutronensterne, den Schwarzen Löchern, wurden gerade die Physiker Reinhard Genzel, Andrea Ghez und Roger Penrose mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.

Das Projekt ELEMENTS vereint die starken Forschungskräfte mehrerer international führender Institutionen. Neben der Goethe-Universität Frankfurt als Konsortialführerin und der TU Darmstadt sind auch die Universität Gießen und das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt beteiligt. Durch diesen Verbund können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf einzigartige Voraussetzungen zurückgreifen: Expertise in Gravitationsphysik und in der Physik von Nuklearreaktionen sowie Infrastruktur wie die Beschleunigeranlagen in Darmstadt – die entstehende FAIR-Anlage an der GSI und den Elektronenbeschleuniger S-DALINAC der TU im Institut für Kernphysik. Zudem möchten die Physikerinnen und Physiker mit ELEMENTS eine Lücke schließen. Als eine der wesentlichen Maßnahmen bemüht sich das Projekt um die Ansiedelung einer gemeinsamen Alexander-von-Humboldt-Professur an den Universitäten in Frankfurt und Darmstadt. Diese soll sich der Astronomischen Beobachtung der Vorgänge in und um Neutronensternen widmen, einem Forschungsfeld, das in Hessen bisher vollständig fehlt und eine große Nähe zu den mit dem diesjährigen Nobelpreis gewürdigten Forschungsarbeiten aufweist.

ELEMENTS wird Neutronensterne studieren, die gerade noch sichtbaren, kleinen Brüder von Schwarzen Löchern. Sie entstehen nach dem Ausbrennen eines Sterns, wenn dieser nicht massereich genug war, um nach seinem Ende durch den eigenen Gravitationsdruck zu einem Schwarzen Loch zusammengepresst zu werden. Neutronensterne sind, wie auch Schwarze Löcher, Ursache für extreme Raum-Zeit-Krümmungen, und wenn Neutronensterne oder Schwarze Löcher verschmelzen, entstehen nachweisbare Gravitationswellen. Wegen ihrer kosmischen Auswirkungen und extremen Bedingungen stehen beide Phänomene im Blick der Forschung. Neutronensterne erlauben jedoch im Gegensatz zu Schwarzen Löchern auch Blicke in ihr Inneres und sie sind auch „produktiv“. So sind Neutronensternverschmelzungen als Kilonovae am Himmel sichtbar und die einzigen bekannten Objekte im Universum, die durch Kernreaktionen unter extremen Bedingungen die schwersten chemischen Elemente erzeugen. Das Projekt ELEMENTS erforscht die Dynamik in der Verschmelzung zweier Neutronensterne und untersucht dabei auch das Gravitationsfeld, die Kernmaterie und – Schwerpunktthema der Physikerinnen und Physiker an der TU Darmstadt – die dabei entstehenden schweren chemischen Elemente. So wurde etwa das Leuchten einer Kilonova von in Darmstadt tätigen Physikerinnen und Physikern vor einigen Jahren erfolgreich vorhergesagt.

Für ELEMENTS hat das Forschungskonsortium einen Antrag auf Förderung im Rahmen der einmaligen Förderlinie Clusterprojekte beim Land Hessen beantragt. Mit der Förderlinie sollen international wettbewerbsfähige Forschungsfelder an Universitäten und Universitätsverbünden projektbezogen gefördert werden, um sie damit weiter zu profilieren und für eine erfolgreiche Antragsstellung in der nächsten Runde der Exzellenzstrategie vorzubereiten.

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