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Astronomie+Physik

Kollision von Neutronenstern und Schwarzem Loch

Kollision
Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch. (Bild: Carl Knox, OzGrav/ Swinburne University)

Nach mehreren noch nicht eindeutigen Kandidaten haben Astronomen nun gleich zweimal das klare Gravitationswellen-Signal der Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch eingefangen. Bei diesen knapp eine Milliarde Lichtjahre entfernten Ereignissen verschlang ein stellares Schwarzes Loch einen kleineren, leichteren Neutronenstern und setzte dabei Energie frei, die die Raumzeit in Schwingungen versetzte. Diese Schwingungen in Form von Gravitationswellen haben die Observatorien LIGO und Virgo im Januar 2020 eingefangen. Die Daten geben nun wertvolle Einblicke in die Umstände solcher ungleichen Verschmelzungen und ihre Vorgeschichte.

Seit Inbetriebnahme der beiden LIGO-Gravitationswellen-Detektoren in den USA und dem europäischen Detektor Virgo in Italien haben Astronomen schon mehr als 50-mal die charakteristischen Gravitationswellen-Signaturen einer kosmischen Kollision aufgefangen. Meist handelte es sich dabei um die Verschmelzung zweier stellarer Schwarzer Löcher. 2017 registrierten die Detektoren erstmals auch die Kollision zweier Neutronensterne, der extrem dichten Relikte massereicher Sterne. Was jedoch bislang fehlte, war die Beobachtung einer gemischten Kollision: „Gravitationswellen haben es uns ermöglicht, die Kollision von Paaren Schwarzer Löcher und Paaren von Neutronensternen zu detektieren, aber die Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern war das noch fehlende Stück im Familienbild der Verschmelzungen kompakter Objekte“, erklärt Co-Autor Chase Kimball von der Northwestern University in Evanston. Zwar gab es einige Gravitationswellen-Ereignisse, die als Kandidaten für ein solches „gemischtes Duo“ galten, die Datenlage war aber nicht eindeutig genug.

Zwei gemischte Kollisionen direkt hintereinander

Das hat sich seit Januar 2020 geändert. Denn im Abstand von nur zehn Tagen detektierten die Gravitationswellen-Observatorien gleich zwei Ereignisse, die die Astronomen auf die Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch zurückführen. Das Ereignis GW200105 wurde am 5. Januar 2020 vom LIGO-Detektor in Livingston und vom Virgo-Detektor in Italien eingefangen, bei letzterem war das Signal allerdings nur schwach und daher schwer aus dem Grundrauschen herauszufiltern. „Obwohl wir deshalb nur bei einem Detektor ein starkes Signal sehen, ist es real und hat alle unsere Qualitätstests bestanden“, betont Harald Pfeiffer vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Aus den Analysen der Daten geht hervor, dass das Signal aus einer Entfernung von rund 900 Millionen Lichtjahren kommt und von der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit neun Sonnenmassen und einem leichteren Objekt mit 1,9 Sonnenmassen verursacht wurde.

„Die Gravitationswellen allein verraten uns zwar noch nicht die Struktur des leichteren Objekts, aber wir können seine maximale Masse bestimmen“, erklärt Pfeiffers Kollege Bhooshan Gadre. „Indem wir diese Information mit den theoretischen Vorhersagen für Neutronensternmassen in solchen Doppelsystemen abgleichen, können wir schlussfolgern, dass ein Neutronenstern die wahrscheinlichste Erklärung für das zweite Objekt ist.“ Erhärtet wird dies vom zweiten Ereignis GW200115, das am 15. Januar 2002 von beiden LIGO-Detektoren und dem Virgo-Detektor eingefangen wurde. Dieses Gravitationswellen-Signal stammt ebenfalls von der ungleichen Kollision eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns, wie die Astronomen berichten. Beteiligt an der rund eine Milliarde Lichtjahre entfernten Verschmelzung waren ein sechs Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch und ein Neutronenstern mit 1,5 Sonnenmassen. Durch Triangulation gelang es den Wissenschaftlern, die Position dieses Ereignisses auf ein Himmelsgebiet einzugrenzen, das der Größe von rund 3000 Vollmonden entspricht.

Neutronenstern wurde im Ganzen verschlungen

Unmittelbar nach Detektion der Gravitationswellen-Signale wurden weitere Astronomenteams alarmiert, die im entsprechenden Himmelsbereich nach möglichen elektromagnetischen Anzeichen der Kollision suchten – beispielsweise in Form von Strahlenausbrüchen. Fündig wurden sie allerdings nicht. Die Forscher führen dies auf die große Entfernung zurück und auf die Tatsache, dass der Neutronenstern vermutlich als Ganzes vom Schwarzen Loch verschluckt wurde. „Dies waren keine Ereignisse, bei denen die Schwarzen Löcher die Neutronensterne erst anknabbern und wie das Krümelmonster mit Trümmern um sich werfen“, erklärt LIGO-Sprecher Patrick Brady von University of Wisconsin-Milwaukee. „Dieses Ausschleudern würde Strahlung erzeugen, aber wir denken nicht, dass das in diesen Fällen passiert ist.“ Co-Autorin Susan Scott von der Australian National University ergänzt: „Es ist eher wie bei PacMan: Das Schwarze Loch hat seinen Neutronenstern-Partner ganz geschluckt.“

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Wie die Astronomen erklären, bieten die Nachweise dieser gemischten Kollisionen nun neue Möglichkeiten, die Entstehung, Entwicklung und das Ende solcher gemischten Paare näher zu erforschen. „Es gibt noch so vieles, das wir nicht über Neutronensterne und Schwarze Löcher wissen – wie klein oder groß sie werden können, wie schnell sie rotieren, wie sie sich zu Paaren zusammenfinden“, erklärt Maya Fishbach von der Northwestern University. „Mit weiteren Gravitationswellen-Daten werden wir die nötigen Statistiken bekommen, um diese Fragen zu beantworten und damit mehr über die extremsten Objekte in unserem Universum zu lernen.“ Zurzeit optimieren die LIGO- und Virgo-Teams ihre Detektoren, um beim nächsten Beobachtungsdurchgang im Jahr 2022 eine noch höhere Sensitivität zu erreichen. Als dritter im Bunde ist seit 2020 zudem der japanische Detektor KAGRA in Betrieb.

Quelle: LIGO- und Virgo-Kollaboration; The Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/ac082e

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