Gravitationswellen

Ein Schwarzes Loch der gesuchten Art

Von Sibylle Anderl
Aktualisiert am 10.09.2020
 - 15:54
Kollision zweier Schwarzer Löcher
Die Ligo- und Virgo-Observatorien haben eine Gravitationswelle aufgezeichnet, die gleich in zweifacher Hinsicht neue Erkenntnisse zur Entwicklung Schwarzer Löcher liefert.

Es ist noch nicht lange her, dass der erste Nachweis einer Gravitationswelle Anlass gab, den Beginn einer neuen Ära der Astronomie heraufzubeschwören. Im September 2015 war es zum ersten Mal gelungen, die winzigen Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit aufzuzeichnen, die im Kosmos dann erzeugt werden, wenn gigantische Massen in Beschleunigung versetzt werden. Damit, so hieß es damals, wurde ein neues Fenster in den Kosmos geöffnet, durch das auch Phänomene und Prozesse astronomisch zugänglich würden, die anhand elektromagnetischer Strahlung unsichtbar blieben.

Durch dieses neue Fenster der Gravitationswellenastronomie konnte nun tatsächlich eine Entdeckung gemacht werden, an der sich die klassische Astronomie bereits seit längerer Zeit ohne durchschlagenden Erfolg versucht hat: Zum ersten Mal ist es gelungen, ein Schwarzes Loch mit „mittlerer“ Masse zwischen hundert und einigen tausend Sonnenmassen nachzuweisen, das also schwerer ist als die stellaren Schwarzen Löcher, die am Ende des Lebens massereicher Sterne entstehen, aber leichter als die supermassereichen Schwarzen Löcher, die im Zentrum von Galaxien zu finden sind.

Fehlendes Glied in der Entwicklungslinie

Dass es in dieser Massenlücke Schwarze Löcher geben muss, lag nahe – schon allein, um zu erklären, wie die supermassereichen Vertreter entstehen. Anhand elektromagnetischer Beobachtungen hatte man auch schon eine Reihe von Kandidaten mittelschwerer Schwarzer Löcher identifiziert, allerdings blieben all diese Beobachtungen mit großen Unsicherheiten behaftet – die Beobachtung Schwarzer Löcher ist erwartungsgemäß schwierig –, die Funde behielten einen vorläufigen Status.

Die beiden amerikanischen Ligo-Observatorien und das italienische Virgo-Observatorium zeichneten nun im Mai 2019 während ihres insgesamt dritten Beobachtungslaufs eine Gravitationswelle auf, deren besonderes Frequenzprofil bereits darauf hindeutete, dass sie durch die Kollision besonders massereicher Schwarzer Löcher erzeugt wurde: Während kleinere Schwarze Löcher ein charakteristisches „Tschirp“ bei hohen Frequenzen erzeugen, wiesen die Observatorien hier im Rahmen der instrumentellen Empfindlichkeit nur das Ende des Signals, bezeichnet als „GW190521“, bei relativ niedrigen Frequenzen nach.

Zweifellos mittelschwer

In den „Physical Review Letters“ schreiben die Wissenschaftler, dass Modelle des Verschmelzungsprozesses Schwarzer Löcher solch ein Signal vorhersagen, wenn ein Parter 85 und der andere 66 Sonnenmassen schwer ist. Das aus der Kollision resultierende Schwarze Loch hätte demnach eine Masse von 142 Sonnenmassen – und wäre damit zweifellos ein leichter Vertreter der mittelschweren Schwarzen Löcher.

Doch die Entdeckung ist nicht nur aufgrund der besonderen Natur des finalen Objekts interessant. Auch mindestens eines der beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher versetzt die Astronomen in besondere Aufregung, wie in einem weiteren Paper in den „Astrophysical Journal Letters“ ausgeführt wird: Denn gemäß Modellen der Sternentwicklung sollten besonders massereiche Sterne am Ende ihres Lebens keinen Überrest – insbesondere also auch kein Schwarzes Loch – hinterlassen.

Ein Schwarzes Loch, das es nicht geben sollte

Der Grund ist ein physikalischer Mechanismus, der als „Paar-Instabilität“ bezeichnet wird: Wenn im Inneren eines solchen massereichen Sterns Bedingungen herrschen, die es erlauben, dass Photonen in Elektron-Positron-Paare umgewandelt werden, nimmt dadurch der Strahlungsdruck ab. Der Kern kontrahiert daraufhin, Dichte und Temperatur steigen, bis schließlich die Fusion von Sauerstoff möglich wird. Diese plötzliche und gewaltige Freisetzung von Energie zerreißt den Stern in einer Supernova, aus der nur bei extrem massereichen Sternen ein Schwarzes Loch hervorgeht. Schwarze Löcher als Endstadien von Sternen sollte es daher im Bereich zwischen etwa 65 und 120 Sonnenmassen nicht geben – wobei die genauen Grenzen theoretisch unsicher sind.

Dass nun aber eines oder gar beide der per Gravitationswelle nachgewiesenen Schwarzen Löcher genau in diesem Massebereich zu verorten sind, könnte bedeuten, dass sie selbst bereits durch Verschmelzung Schwarzer Löcher entstanden sind. Um dann aber wiederum ein Binärsystem mit einem anderen Schwarzen Loch zu bilden, müssten sie sich in einer Umgebung mit äußerst hoher Sterndichte befunden haben. Die Astronomen prüfen auch andere Szenarien wie beispielsweise die Möglichkeit, dass die Schwarzen Löcher bereits kurz nach dem Urknall entstanden sind. Abschließend klären können sie die Herkunft der beobachteten Schwarzen Löcher bislang noch nicht. Helfen werden dabei weitere Beobachtungen ähnlicher Objekte, die es wohl spätestens mit der nächsten Generation von Gravitationswellenobservatorien geben wird.

Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
Twitter
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot