Die bisher massivste Verschmelzung von Schwarzen Löchern gibt Astronomen Rätsel auf
Die Verschmelzung von mittelschweren Schwarzen Löchern hat Gravitationswellen aufgewirbelt, die auf der Erde entdeckt wurden.
Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
Weit entfernt in den Tiefen des Weltraums bewegen sich zwei schwarze Löcher aufeinander zu und verschmelzen. Die mächtigen Gravitationswellen dieses Totentanzes rasen durch den Kosmos, bis ihre Wellen drei riesige Detektoren auf der Erde erreichen: zwei mit dem Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) in den USA und den europäischen Virgo-Detektor in Italien.
Die Detektoren haben in den letzten fünf Jahren Dutzende solcher Kataklysmen registriert, aber die vom 21. Mai 2019 war anders. Es war nicht nur die stärkste und am weitesten entfernte Verschmelzung, die je beobachtet wurde, sondern das entstandene Schwarze Loch gehört auch zu einer Klasse von lange gesuchten mittelschweren Schwarzen Löchern, berichten Mitglieder der LIGO-Virgo-Kollaboration heute in zwei neuen Studien. Rätselhaft ist jedoch, dass die beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher schwerer sind als erwartet: Ihre Massen fallen in eine Lücke, in der Theoretiker glauben, dass es unmöglich ist, ein Schwarzes Loch auf dem üblichen Weg eines kollabierenden Sterns zu erzeugen.
Schwarze Löcher der Sternenklasse entstehen normalerweise, wenn einem großen Stern der nukleare Brennstoff ausgeht und der stürmische Motor aus Licht und Hitze anhält. Ohne den Druck von außen kollabieren die äußeren Schichten des Sterns unter der Schwerkraft, was eine kolossale Supernova auslöst und ein schwarzes Loch hinterlässt. Bei den allergrößten Sternen ist der Kollaps sogar noch katastrophaler und verursacht eine thermonukleare Explosion, die den Stern zerstört und nichts zurücklässt. Theoretisch bedeutet dies, dass es bei etwa 65 Sonnenmassen eine Grenze für die Masse Schwarzer Löcher geben sollte.
Bis Mai 2019 stützten die von LIGO und Virgo entdeckten Verschmelzungen Schwarzer Löcher diese Massengrenze weitgehend. Dann kam das als GW190521 bekannte Ereignis, das nur eine Zehntelsekunde dauerte. Es wurde nicht von den üblichen Algorithmen entdeckt, die nach binären Verschmelzungen suchen (die normalerweise um ein Vielfaches länger dauern), sondern von einer separaten Pipeline, die nach „Dingen sucht, die knallen“, sagt Nelson Christensen, Physiker am Observatorium der Cote d’Azur in Nizza und Mitglied des LIGO-Virgo-Teams.
Obwohl das Signal kurz war – nur vier auf- und abschwellende Wellenzyklen – konnte das Team es dennoch analysieren, indem es seine Amplitude, seine Form und die zeitliche Veränderung seiner Frequenz analysierte. „Es war sehr schwierig zu interpretieren“, sagt Teammitglied Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut). „Wir haben viel Zeit damit verbracht, uns selbst davon zu überzeugen, dass wir dem, was wir gefunden haben, vertrauen können.“
In zwei heute veröffentlichten Artikeln – einer beschreibt die Entdeckung in Physical Review Letters, der andere interpretiert die Daten in The Astrophysical Journal Letters – erklärt das gemeinsame LIGO-Virgo-Team, dass das Modell, das am besten zu den Daten passt, von zwei schwarzen Löchern mit 66 und 85 Sonnenmassen ausgeht, die zu einem schwarzen Loch von 142 Sonnen verschmelzen. Die restlichen acht Sonnenmassen wären in Gravitationswellenenergie umgewandelt worden. „Es war wesentlich größer als alles, was wir bisher gesehen haben“, sagt Christensen.
Ein Schwarzes Loch mit 142 Sonnenmassen ist eine Klasse für sich. Während die Astronomen seit langem von kleineren Schwarzen Löchern und von den Riesen in den galaktischen Zentren wissen, die aus Millionen oder Milliarden von Sonnen bestehen, waren solche von mittlerer Größe – von 100 bis 100.000 Sonnenmassen – auffallend abwesend. Astronomen glauben, dass sie als Bausteine für die supermassereichen Schwarzen Löcher benötigt werden, und es gibt indirekte Hinweise auf ihre Existenz, aber dies könnte die bisher überzeugendste Sichtung sein, wenn auch ganz am unteren Ende der Skala. „Dies ist nur ein Hinweis darauf, dass es etwas in diesem Massenbereich gibt“, sagt der Astrophysiker Avi Loeb von der Harvard University, der nicht an der Studie beteiligt war.
Vielleicht ist für Astrophysiker der Ursprung der beiden verschmelzenden schwarzen Löcher interessanter. Das leichtere befindet sich genau an der Spitze der Massenlücke, so dass es sich aus einem einzigen gigantischen Stern gebildet haben könnte. Aber 85 Sonnenmassen sind schwer zu erklären. „Es ist aufregend, weil es unerwartet war“, sagt Loeb. „
In ihrem Interpretationspapier hat das Team viele mögliche Erklärungen untersucht. Die schwarzen Löcher könnten aus der Urzeit stammen, aus dem Mahlstrom des frühen Universums, bevor die ersten Sterne geboren wurden. Oder sie könnten kleine schwarze Löcher gewesen sein, deren Verschmelzung durch Gravitationslinsen vergrößert wurde. Oder vielleicht – noch exotischer – stammen die Wellen von kosmischen Strings, hypothetischen Defekten im Vakuum, die vom Urknall übrig geblieben sind. Aber keine dieser Erklärungen passte so gut zu den Daten wie ein Paar verschmelzender Schwergewichte. Also griff das Team auf „das gute alte Rasiermesser von Occam“ zurück, so Christensen: Die einfachste Erklärung ist wahrscheinlich die richtige.
Loeb glaubt, dass es sich bei den Schwergewichten wahrscheinlich um „Multigenerationen“ handelt, bei denen kleinere Schwarze Löcher in dichten Sternentstehungsgebieten mehrfach verschmelzen, um Massen oberhalb des Grenzwerts zu erzeugen. Galaxien sind oft von dichten Sternhaufen umgeben, die als Kugelsternhaufen bezeichnet werden. Diese können Hunderttausende von alten Sternen enthalten: ideale Brutstätten für Schwarze Löcher. Wenn die schwarzen Löcher in Richtung des Zentrums des Kugelsternhaufens sinken, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit anderen verschmelzen. „Diese Umgebungen sind spezialisiert, weshalb wir sie erst jetzt finden“, sagt er, nachdem LIGO und Virgo mehr als 60 Verschmelzungen aufgespürt haben.
Aber die Haufen enthalten wahrscheinlich Schwarze Löcher unterschiedlicher Masse, und einseitige Verschmelzungen erzeugen asymmetrische Explosionen, die das neue Schwarze Loch mit bis zu 1000 Kilometern pro Sekunde aus dem Haufen werfen können. Damit Haufen als Kinderstube für schwarze Löcher in der Massenlücke dienen können, müssen die Rückstöße gering und die Haufen massiv genug sein, um sie am Entweichen zu hindern, sagt Loeb.
LIGO und Virgo werden derzeit aufgerüstet und sollen 2022 mit erhöhter Empfindlichkeit neu starten, so dass sie dreimal so viel vom Kosmos erfassen können. Die Entdeckung weiterer solcher schwergewichtiger Verschmelzungen wird uns „etwas über die Astrophysik solcher stellaren Kinderstuben lehren“, sagt Loeb. „Je mehr Ereignisse wir haben, desto mehr Hinweise auf ihre Ursprünge.“