Festmahl für schwarze Löcher

Detektoren empfangen Gravitationswellen von zwei Schwerkraftfallen, die Neutronensterne am Stück verschlucken

In einer Entfernung von mehr als 900 Millionen Lichtjahren haben sich kurz hintereinander zwei kosmische Katastrophen ereignet: Zwei schwarze Löcher verschlangen unabhängig voneinander innerhalb von zehn Tagen jeweils einen Neutronenstern. Die dabei ausgesandten Gravitationswellen gingen den beiden Detektoren LIGO und Virgo ins Netz. Die Signale gelten als erster sicherer Nachweis der Verschmelzung eines schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Dabei verschluckten die schwarzen Löchern ihre "Nahrung" am Stück. Auch wenn sich von beiden Ereignissen kein Licht empfangen ließ, waren die Gravitationswellen klar und deutlich. Sie erlauben erste Rückschlüsse auf die Entstehung dieser seltenen Doppelsysteme und darauf, wie oft sie verschmelzen. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover sowie an der Leibniz Universität Hannover haben zu den Entdeckungen und ihrer Analyse beigetragen.

Mahlzeit im All: Als Filmplakat hat ein Künstler ein schwarzes Loch dargestellt, das einen Neutronenstern verschluckt. Das Plakat zeigt die Gravitationswellen-Ereignisse GW200105 und GW200115 – die ersten sicheren Nachweise von Verschmelzungen schwarzer Löcher mit Neutronensternen.

Die beiden Signale tragen die Bezeichnungen GW200105 und GW200115 und wurden am 5. Januar und am 15. Januar 2020 beobachtet. „Die Gravitationswellen stammen von schwarzen Löchern mit neun und sechs Sonnenmassen, die mit zwei leichteren Objekten von 1,9 und 1,5 Sonnenmassen verschmolzen“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und Professorin an der University of Maryland. „GW200115 ist unser erster sicherer Nachweis der Verschmelzung eines schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern."

Einer der beiden LIGO-Detektoren in den USA wies das erste der beiden Ereignisse (GW200105) als starkes Signal nach, während der andere vorübergehend nicht im Messbetrieb war. Aus den Gravitationswellen schlossen die Forschenden, dass das Signal von einem schwarzen Loch mit der neunfachen Masse unserer Sonne stammte. Bei dem leichteren Objekt mit der oben erwähnten 1,9-fachen Sonnenmasse sollte es sich um einen Neutronenstern handeln. Diese Verschmelzung fand etwa 900 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt statt.

„Wir sahen zwar nur ein starkes Signal in einem Detektor, folgern daraus aber, dass es echt ist. Es besteht alle unsere strengen Qualitätskontrollen und hebt sich von sämtlichen Rauschereignissen ab, die wir im dritten Beobachtungslauf sehen“, sagt Harald Pfeiffer, Gruppenleiter am Potsdamer Max-Planck-Institut.

Da nur ein Detektor das Signal beobachtete, lässt sich die Quelle der Wellen nicht sehr genau lokalisieren, sondern nur auf etwa 17 Prozent des gesamten Himmels eingrenzen. Das entspricht in etwa der Fläche von 34.000 Vollmonden.

Das zweite Ereignis GW200115, das nur zehn Tage später entdeckt wurde, haben alle drei großen Detektoren gemessen, also beide LIGO-Instrumente und das Observatorium Virgo in Italien. In jedem einzelnen Detektor ist es weniger auffällig als GW200105, doch die gemeinsame Verarbeitung der Messdaten und die zeitlich zusammenfallenden Nachweise machen es zu einem starken Signal. GW200115 stammt von der Verschmelzung eines schwarzen Lochs von sechs Sonnenmassen mit einem Neutronenstern der eineinhalbfachen Sonnenmasse. Die "Unfallstelle" liegt in einer Distanz von rund einer Milliarde Lichtjahren.

Mit den Beobachtungsdaten der drei weit voneinander entfernten irdischen Detektoren lässt sich die Richtung zum Ursprung der Wellen auf einen Teil des Himmels eingrenzen, welcher der Fläche von 2900 Vollmonden entspricht.

Obwohl mehrere Observatorien danach fahndeten, ließ sich kein Gegenstück der beiden Ereignisse im elektromagnetischen Spektrum aufspüren. „Die Beobachtung eines elektromagnetischen Signals der Verschmelzung wäre fantastisch gewesen, aber wir haben das nicht unbedingt erwartet“, sagt Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. „Jegliches Licht wäre aufgrund der großen Entfernungen sehr schwach und durch die nur ungenau bekannten Himmelspositionen schwierig aufzuspüren." Laut Ohme schließen die Forschenden aus den Daten, dass die schwarzen Löcher ihre Neutronensternpartner einfach am Stück verschluckt haben, sodass gar kein Licht abgestrahlt wurde.

Simulation von GW200115
 

Der Film zeigt die Simulation der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch (GW200115). Die Masse des Schwarzen Lochs beträgt 6,1 Sonnenmassen, die des Neutronensterns 1,4 Sonnenmassen. Beide Objekte haben keinen Eigendrehimpuls.

Allein anhand des Gravitationswellensignals kann man nicht mit Sicherheit sagen, ob es sich bei den leichteren Objekten tatsächlich um Neutronensterne handelt. Die Fingerabdrücke der zu erwartenden Verformungen der Neutronensterne ließen sich weder sicher nachweisen, noch konnte ihre Abwesenheit bewiesen werden. „Die Gravitationswellen allein verraten uns zwar nicht die Struktur des leichteren Objekts, aber wir können auf seine maximale Masse schließen", sagt Bhooshan Gadrem vom Potsdamer Max-Planck-Institut. „Indem wir diese Informationen mit theoretischen Vorhersagen über die zu erwartenden Massen von Neutronensternen in einem solchen Doppelsystem kombinieren, kommen wir zu dem Schluss, dass ein Neutronenstern die wahrscheinlichste Erklärung ist.“

Da diese Ereignissen die ersten sicheren Beobachtungen der Gravitationswellen von Verschmelzungen schwarzer Löcher mit Neutronensternen sind, können die Forschenden nun abschätzen, wie oft solche Ereignisse im Universum stattfinden. Sie erwarten, dass in Entfernungen von bis zu einer Milliarde Lichtjahren etwa eine solche Verschmelzung pro Monat stattfindet. Nicht alle dieser Ereignisse lassen sich jedoch mit den derzeitigen Detektoren nachweisen.

Für die Entstehung dieser Doppelsysteme gibt es mehrere Erklärungen: So könnten sich Doppelsterne zu solchen Systemen entwickeln, wenn ihre Komponenten mit der Zeit zu schwarzen Löchern und Neutronensternen werden. Zudem gelten dichte Sterngesellschaften wie junge Sternhaufen und die Umgebung der Zentren von Galaxien als mögliche Ursprungsorte.

Max-Planck-Forschende haben maßgeblich zu den in der Veröffentlichung vorgestellten Analysen beigetragen. Sie haben genaue Wellenformmodelle von verschmelzenden kompakten Objekten wie schwarzen Löchern und Neutronensternen erstellt und dabei etwa die Gezeiteneffekte des Neutronensterns berücksichtigt. Aus diesen sowie vielen weiteren physikalischen Merkmalen, die der Wellenform aufgeprägt sind, lassen sich eindeutige Informationen über die Eigenschaften der Quellen gewinnen. Dabei kamen auch die Hochleistungscomputercluster Minerva und Hypatia zum Einsatz.

„Derzeit bereiten wir die Detektoren für ihren vierten Beobachtungslauf vor, der im Sommer 2022 beginnen soll. Sie werden dann noch empfindlicher sein, sodass wir jeden einzelnen Tag Gravitationswellen beobachten könnten“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut in Hannover und Leiter des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „In einigen Jahren werden wir weitere Verschmelzungen schwarzer Löcher mit Neutronensternen beobachtet haben. Daraus werden wir mehr über Materie unter Extrembedingungen, über das Leben der Sterne und die Eigenschaften dieser seltenen Ereignisse lernen.“

EM / KNI / HOR

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