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Als neuer Professor für Gravitationstheorie der Friedrich-Schiller-Universität Jena berechnet und simuliert Sebastiano Bernuzzi kosmische Zusammenstöße zwischen Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Auf diese Weise leistet er wichtige Vorarbeiten für das Aufspüren von Gravitationswellen.
Vor mehr als einhundert Jahren sagte Albert Einstein ihre Existenz voraus: Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch unser Universum bewegen und dabei Raum und Zeit in Schwingung versetzen. Sie entstehen durch jegliche Beschleunigung von Masse, doch ihre Vibrationen sind so unglaublich schwach, dass der Nachweis nur anhand von galaktischen Katastrophen wie aufeinanderprallenden Neutronensternen oder Supernova-Explosionen möglich ist. Erst drei Jahre ist es her, dass Gravitationswellen erstmals nachgewiesen werden konnten, die durch den Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher ausgelöst worden waren. Der Beweis gilt als Meilenstein in der Geschichte der Astrophysik.
An den Vorarbeiten für den Nachweis haben auch Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena mitgewirkt. Dieses Team wird jetzt verstärkt durch Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi. Der 37-jährige Astrophysiker, der aus Italien nach Jena kam, ist Professor für Gravitationstheorie.
Supercomputer berechnen Modelle von Sternen-Kollisionen
„Mithilfe von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entwickeln wir Simulationen, die Kollisionen zwischen Lichtjahre von der Erde entfernten Neutronensternen beschreiben“, erklärt Bernuzzi seine Forschung. „Unsere Berechnungen sind sehr komplex, denn neben der Gravitation müssen auch andere Kräfte wie Elektromagnetismus oder nukleare Kräfte berücksichtigt werden.“ Um aus all diesen Faktoren eine präzise Simulation zu erstellen, bedient sich Bernuzzi der Leistung von superschnellen Computersystemen. Die Bedeutung seiner Forschung spiegelt sich auch in der Unterstützung wider, die Bernuzzi durch den Europäischen Forschungsrat erhält. Der Astrophysiker wird seit 2017 mit einem sogenannten „ERC Starting Grant“ unterstützt, den nur vielversprechende Nachwuchswissenschaftler erhalten.
Die Resultate von Bernuzzis Simulationen dienen auch dem praktischen Aufspüren von Gravitationswellen. Unter anderem kooperiert der Neu-Jenaer dafür mit Forscherinnen und Forschern des europäischen Gravitationswellendetektors „Virgo“ – ein kilometerlanges Instrument, das mithilfe von Laserstrahlen Verschiebungen im subatomaren Bereich erkennt. „Das Anwenden unserer Vorhersagen ähnelt dem Filtern von Geräuschen durch das menschliche Gehirn“, zieht Bernuzzi einen Vergleich. „Wenn uns das Zwitschern eines Vogels bekannt ist, können wir es auch inmitten stärkerer Geräuschquellen erkennen.“
„Jena ist für mich die beste Umgebung“
Sebastiano Bernuzzi weiß schon seit einiger Zeit, dass er an der Universität Jena exzellente Bedingungen vorfindet, um seine Modelle weiter zu optimieren. Nachdem er 2009 in seiner Heimatstadt Parma promoviert wurde, forschte er am Theoretisch-Physikalischen Institut in Jena für vier Jahre als Postdoc. „Das war eine sehr schöne und intensive Zeit für mich, in der ich mich als Wissenschaftler weiterentwickelt habe“, blickt der zweifache Familienvater zurück. Es folgten ein Forschungsaufenthalt an der Eliteuniversität „Caltech“ im kalifornischen Pasadena und – wieder zurück in Parma – die Habilitation im Jahr 2017. „Als sich mir dann die Möglichkeit zur Rückkehr nach Jena bot, habe ich nicht gezögert“, so Bernuzzi. „Durch den klaren Schwerpunkt auf die theoretische Physik ist Jena für mich die beste Umgebung, um meine Forschung und meine Karriere weiter voranzutreiben.“
Neutronensterne als mögliche Quelle für schwere Elemente
In nächster Zeit möchte er insbesondere die Bestandteile der Emissionen erforschen, die der Zusammenstoß binärer Neutronensterne hinterlässt. „Die Ausstöße wurden bisher kaum untersucht und bieten wahrscheinlich eine Erklärung für die Entstehung schwerer Elemente“, erklärt Bernuzzi. „Dass wir Goldringe tragen, verdanken wir vermutlich der Fusion dieser extrem kompakten Objekte.“ Ein weiteres Ziel seiner Forschung ist das bessere Verständnis der fundamentalen physikalischen Prozesse, welche diesen Phänomenen zugrunde liegen. „Die Kollisionen stellen einzigartige Labore dar, die wir auf der Erde nicht nachbauen können. Das elementare Wissen, das wir durch ihre Erforschung erwerben, ist mittelfristig vielen Bereichen der angewandten Wissenschaft und damit auch der Gesellschaft dienlich.“
Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi
Theoretisch-Physikalisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Fröbelstieg 1
07743 Jena
Tel.: 03641 / 947111
E-Mail: sebastiano.bernuzzi@uni-jena.de
Diese von Sebastiano Bernuzzi und seinem Team erstellte Simulation zeigt die Restmassendichte während der Fusion zweier Neutronensterne.
Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi ist neuer Professor für Gravitationstheorie an der Friedrich-Schiller- ...
Foto: Anne Günther/FSU
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