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Astronomie+Physik

Ein Schwarzes Loch und sein rätselhafter Begleiter

Simulation
Diese Visualisierung zeigt den Zusammenprall eines schwarzen Lochs und eines anderen kompakten Objekts. (Bild: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration)

Die meisten bisher detektierten Gravitationswellen stammen aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Doch nun haben Astronomen ein Signal eingefangen, das von einer ungewöhnlichen Paarung zeugt – und den Forschern Rätsel aufgibt. Denn die Daten der LIGO-Detektoren in den USA und des Virgo-Detektors in Italien deuten darauf hin, dass in knapp 800 Millionen Lichtjahren Entfernung ein Schwarzes Loch mit 23 Sonnenmassen und ein nur 2,6 Sonnenmassen schweres Objekt miteinander kollidiert sind. Das aber bedeutet, dass dieses Objekt eigentlich zu leicht für ein Schwarzes Loch und zu schwer für einen Neutronenstern ist.

Gravitationswellen entstehen, wenn massereiche Objekte im Kosmos stark abgebremst oder beschleunigt werden oder miteinander kollidieren. Die dabei freigesetzte Energie versetzt die Raumzeit in Schwingungen, die noch in weiter Entfernung registriert werden können – vorausgesetzt man hat ausreichend sensitive Detektoren. Dank der beiden Gravitationswellen-Detektoren LIGO in den USA und dem Virgo-Detektor in Italien ist dies inzwischen der Fall. Seit dem ersten Nachweis der schon von Albert Einstein vorhergesagten Raumzeit-Erschütterungen haben Astronomen mit ihrer Hilfe schon mehrere Dutzend Verschmelzungen Schwarzer Löcher und einige Kollisionen von Neutronensternen detektiert. Im April 2020 beobachteten sie zudem erstmals eine Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die sehr unterschiedliche Massen aufwiesen. Wenige Tage später fingen die Detektoren sogar ein Signal auf, das von einer Paarung aus einem Schwarzen Loch mit einem Neutronenstern stammen könnte – das wäre die erste Kombination dieser Art. Aber das Signal war zu schlecht für einen eindeutigen Nachweis.

Rätsel um kleineren Partner

Das ist mit dem jetzt vorgestellten Gravitationswellen-Ereignis anders. Denn am 14. August 2019 registrierten sowohl die LIGO-Detektoren als auch der Virgo-Detektor eines der stärksten jemals eingefangenen Signale. Anhand dieser Daten konnten die Astronomen ermitteln, dass die Quelle dieser Raumzeit-Erschütterungen rund 780 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbilds Skulptor (Bildhauer) lag. Als die Forscher dann die Urheber dieses Signals näher bestimmten, fanden sie Überraschendes. Denn den Gravitationswellen-Daten zufolge sind bei diesem Ereignis zwei sehr ungleiche Partner miteinander verschmolzen. Der eine ist ein Schwarzes Loch mit 23 Sonnenmassen, der andere aber ein Objekt von nur 2,6-facher Sonnenmasse. Nie zuvor haben Astronomen Gravitationswellen von einem System gemessen, in dem sich die Einzelmassen so unterschiedlich verteilen.

„Das Signal GW190814 ist eine unerwartete und wirklich aufregende Entdeckung“, sagt Co-Autor Abhirup Ghosh vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Denn neben dem erstaunlich großen Massenunterschied beider Partner gibt vor allem die leichtere Komponente dieses Zweiersystems den Forschern Rätsel auf. Dieses Objekt ist eigentlich zu leicht für ein Schwarzes Loch und zu schwer für einen Neutronenstern. „Wenn es sich tatsächlich um ein schwarzes Loch handelt, ist es das leichteste bekannte. Ist es hingegen ein Neutronenstern, so ist dies der massereichste, den wir je in einem Doppelsystem beobachtet haben“, so Ghosh. Neutronensterne sind die extrem dichten Überreste massereicher Sternen nach ihrer Supernova. Gängigen Modellen zufolge liegt die Massenobergrenze für die Bildung eines solchen Sternenrests für nichtrotierende Neutronensterne bei 2,16 Sonnenmassen, bei rotierenden rund 20 Prozent darüber. Ist die Masse noch höher, entsteht ein Schwarzes Loch.

Suche nach begleitender Strahlung erfolglos

Um herauszufinden, worum es sich bei dem kleineren Objekt handelt, haben die Astronomen der LIGO-Kollaboration direkt nach dem Einfangen des Gravitationswellen-Signals anderen Astronomen Bescheid gegeben, damit diese mit Teleskopen nach möglicherweise begleitender elektromagnetischer Strahlung suchen können. Knapp zwei Tage später haben Nicholas Vieira und sein Team mit dem Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) begonnen, die Herkunftsregion des Signals in infraroten und optischen Wellenlängen abzusuchen. „Ereignisse wie GW190814 können Multi-Messenger sein, die uns durch die Verknüpfung eines kosmischen Signals wie der Gravitationswellen mit einem anderen, wie dem Licht, mehr über die Astrophysik solcher Verschmelzungen verraten können“, sagt Veira. Wenn es sich bei dem kleineren Partner um einen Neutronenstern handelt, dann müsste die Kollision eine Kilonova verursachen – einen Strahlenausbruch, der durch die rapide Umwandlung von Elementen bei diesem Ereignis ausgelöst wird.

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Doch die Fahndung nach einer solchen Kilonova blieb erfolglos, wie die Astronomen berichten. Wenn bei GW190814 elektromagnetische Strahlung freigesetzt wurde, dann lag sie weit unter dem, was man für eine typische Kilonova erwarten würde. Allerdings schließt das nicht aus, dass es sich bei dem kleineren Partner trotzdem um einen Neutronenstern handelt, wie Veira und sein Team betonen. Sie haben ausgerechnet, dass bei dieser Kollision weniger als 0,04 Sonnenmassen von diesem Objekt übriggeblieben sein können. Das könnte bedeuten, dass der Neutronenstern vom sehr viel schwereren Schwarzen Loch so schnell verschlungen wurde, dass er hinter dem Ereignishorizont verschwand, bevor sein Zerreißen viel Strahlung freisetzen konnte. Aber auch das lässt sich zum jetzigen Zeitpunkt nicht eindeutig belegen. Dennoch hält Veira es für durchaus wahrscheinlich, dass GW190814 durch die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern entstanden ist.

Klar scheint in jedem Fall: GW190814 ist anders als alle bisher mittels Gravitationswellen nachgewiesenen Ereignisse. Die Astronomen hoffen nun, in zukünftigen LIGO/Virgo-Beobachtungsläufen noch weitere solcher exotischen Objekte zu finden. Das könnte dabei helfen, das Rätsel um diese ungleichen Paare zu lösen.

Quelle: Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/ab960f; Astrophysical Journal, doi: 10.3847/1538-4357/ab917d

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