Eine künstlerische Darstellung zweier kollidierender Schwarzer Löcher.Credit: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Astronomen haben mit Hilfe von Gravitationswellen die bisher stärkste, am weitesten entfernte und verwirrendste Kollision von Schwarzen Löchern nachgewiesen. Von den beiden Riesen, die fusionierten, als das Universum halb so alt war wie heute, hat mindestens eines – mit dem 85-fachen Gewicht der Sonne – eine Masse, von der man annahm, sie sei zu groß für ein solches Ereignis. Die Forscher schätzen, dass bei der Verschmelzung ein schwarzes Loch mit einer Masse von fast 150 Sonnenmassen entstanden ist. Damit liegt es in einem Bereich, in dem noch nie zuvor ein schwarzes Loch nachgewiesen werden konnte.
„Diese Entdeckung ist einfach umwerfend“, sagt Simon Portegies Zwart, Astrophysiker an der Universität Leiden in den Niederlanden. Insbesondere bestätigt sie die Existenz von Schwarzen Löchern „mittlerer Masse“: Objekte, die viel massereicher sind als ein typischer Stern, aber nicht ganz so groß wie die supermassereichen Schwarzen Löcher, die die Zentren von Galaxien bewohnen.
Ilya Mandel, ein theoretischer Astrophysiker an der Monash University in Melbourne, Australien, nennt die Entdeckung „wunderbar unerwartet“.
Das Ereignis, das in zwei am 2. September veröffentlichten Artikeln1,2 beschrieben wird, wurde am 21. Mai 2019 von den Zwillingsdetektoren des Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatoriums (LIGO) in den Vereinigten Staaten und dem kleineren Virgo-Observatorium in der Nähe von Pisa, Italien, entdeckt. Nach seinem Entdeckungsdatum wird es GW190521 genannt.
Verbotene Massen
Seit 2015 haben LIGO und Virgo durch die Messung von Gravitationswellen neue Einblicke in den Kosmos ermöglicht. Diese Wellen im Gefüge der Raumzeit können Ereignisse wie die Verschmelzung von Schwarzen Löchern aufdecken, die normalerweise mit normalen Teleskopen nicht sichtbar sind.
Aus den Eigenschaften der Gravitationswellen, wie z. B. der Veränderung ihrer Tonhöhe, können Astrophysiker die Größe und andere Merkmale der Objekte abschätzen, die sie beim Zusammenstoßen erzeugt haben. Dies hat die Erforschung schwarzer Löcher revolutioniert, denn es wurden direkte Beweise für Dutzende dieser Objekte erbracht, deren Masse von einigen wenigen bis zum 50-fachen der Masse der Sonne reicht.
Diese Massen stimmen mit schwarzen Löchern überein, die auf „konventionelle“ Weise entstanden sind – wenn einem sehr großen Stern der Brennstoff ausgeht und er unter seinem eigenen Gewicht kollabiert. Die konventionelle Theorie besagt jedoch, dass der Kollaps eines Sterns keine schwarzen Löcher zwischen 65 und 120 Sonnenmassen hervorbringen sollte. Das liegt daran, dass Sterne gegen Ende ihres Lebens in einem bestimmten Größenbereich in ihrem Zentrum so heiß werden, dass sie beginnen, Photonen in Paare von Teilchen und Antiteilchen umzuwandeln – ein Phänomen, das als Paarinstabilität bezeichnet wird. Dies löst die explosive Verschmelzung von Sauerstoffkernen aus, die den Stern auseinanderreißt und ihn vollständig auflöst.
Bei ihrer jüngsten Entdeckung haben die Detektoren von LIGO und Virgo nur die letzten vier von den spiralförmigen schwarzen Löchern erzeugten Wellen registriert, deren Frequenz innerhalb einer Zehntelsekunde von 30 auf 80 Hertz anstieg. Während relativ kleine Schwarze Löcher weiter bis zu höheren Frequenzen „zwitschern“, verschmelzen sehr große Löcher früher und erreichen kaum das untere Ende des Frequenzbereichs, für den die Detektoren empfindlich sind.
In diesem Fall wurden die beiden Objekte auf etwa 85 und 66 Sonnenmassen geschätzt. „Das liegt genau in dem Bereich, in dem man die Massenlücke für die Paarinstabilität erwarten würde“, sagt der LIGO-Astrophysiker Christopher Berry von der Northwestern University in Evanston, Illinois.
Selma de Mink, Astrophysikerin an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, schätzt den Grenzwert für die Paarinstabilität sogar noch niedriger ein, vielleicht bei 45 Sonnenmassen, was das leichtere der beiden Objekte ebenfalls in die verbotene Zone drücken würde. „
Unkonventionelle Schwarze Löcher
Um ihre Beobachtungen zu erklären, zogen die LIGO-Forscher eine Reihe von Möglichkeiten in Betracht, darunter die, dass die Schwarzen Löcher seit Anbeginn der Zeit existieren. Seit Jahrzehnten vermuten Forscher, dass sich solche „primordialen“ Schwarzen Löcher kurz nach dem Urknall spontan in einem breiten Größenbereich gebildet haben könnten.
Das wichtigste Szenario, das das Team in Betracht zog, ist, dass die Schwarzen Löcher so groß wurden, weil sie selbst das Ergebnis früherer Verschmelzungen von Schwarzen Löchern waren. Schwarze Löcher, die aus einem Sternkollaps resultieren, sollten sich in dichten Sternhaufen tummeln, und im Prinzip könnten sie wiederholt verschmelzen. Aber selbst dieses Szenario ist problematisch, denn nach einer ersten Verschmelzung sollte das entstehende Schwarze Loch normalerweise einen Stoß durch die Gravitationswellen erhalten und sich selbst aus dem Haufen herausschleudern. Nur in seltenen Fällen würde das Schwarze Loch in einem Gebiet verbleiben, in dem es eine weitere Verschmelzung erleben könnte.
Wiederholte Verschmelzungen wären wahrscheinlicher, wenn die Schwarzen Löcher die überfüllte zentrale Region ihrer Galaxie bewohnten, sagt de Mink, wo die Schwerkraft stark genug ist, um zu verhindern, dass zurückweichende Objekte hinausschießen.
Es ist nicht bekannt, in welcher Galaxie die Verschmelzung stattfand. Aber ungefähr in der gleichen Himmelsregion entdeckte ein Forscherteam einen Quasar – ein extrem helles galaktisches Zentrum, das von einem supermassereichen schwarzen Loch angetrieben wird -, der etwa einen Monat nach GW1905213 einen Flare erlebte. Bei dem Aufflackern könnte es sich um eine Schockwelle im heißen Gas des Quasars gehandelt haben, die durch das zurückprallende Schwarze Loch erzeugt wurde, obwohl viele Astronomen vorsichtig sind, einen Zusammenhang zwischen den beiden Phänomenen zu akzeptieren.
Dies ist das zweite Mal in diesem Jahr, dass die LIGO-Virgo-Kollaboration in einen „verbotenen“ Massenbereich vordringt: Im Juni beschrieb sie eine Verschmelzung, an der ein Objekt mit einer Masse von etwa 2,6 Sonnenmassen beteiligt war – typischerweise zu leicht, um ein Schwarzes Loch zu sein, aber zu massiv, um ein Neutronenstern zu sein4.