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Gravitationswellen-Signal gibt Rätsel auf

Partner des Schwarzen Lochs könnte ein "übergewichtiger " Neutronenstern sein

GW190814
Extremer Unterschied: Astronomen haben Gravitationswellen einer Kollision detektiert, bei der ein Schwarzes Loch mit einem extrem leichten Partner verschmilzt – möglicherweise einem Neutronenstern. © Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Ist es ein Neutronenstern? Astronomen haben die Gravitationswellen eines bisher einzigartigen Ereignisses eingefangen – der Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem nur 2,6 Sonnenmassen leichten Partner. Damit ist dieses Objekt zu leicht für ein Schwarzes Loch, aber etwas zu schwer für einen Neutronenstern. Auch ein begleitender Strahlenausbruch fehlte. Dennoch könnte es sich um den ersten Nachweis einer Kollision von Schwarzem Loch und Neutronenstern handeln.

Wenn massereiche Objekte im Kosmos verschmelzen, erschüttert die dabei freiwerdende Energie die Raumzeit – es entstehen Gravitationswellen. Seit dem ersten Nachweis dieser Wellen Anfang 2016 haben die Detektoren LIGO und Virgo schon mehrere Dutzend Verschmelzungen zweier Schwarzer Löcher über diese Raumzeit-Erschütterungen aufgespürt, auch Kollisionen zweier Neutronensterne und zweier ungleich schwerer Schwarzer Löcher waren schon dabei.

Signal einer ungleichen Kollision

Doch das neue Signal passt zu keinem dieser Fälle. Es handelt sich um Gravitationswellen, die am 14. August 2019 von den LIGO-Detektoren in den USA und dem Virgo-Detektor in Italien eingefangen wurden. Es ist eines der stärksten je registrierten Signale, wie die Forscher berichten. Den Ursprung des GW190814 getauften Ereignisses lokalisierten sie in rund 780 Millionen Lichtjahren Entfernung in Richtung des Sternbilds Skulptor (Bildhauer).

Schon erste Analysen zeigten, dass bei dieser Kollision zwei sehr ungleich schwere Objekte miteinander verschmolzen sein müssen. Der eine Partner ist ein Schwarzes Loch von 23 Sonnenmassen, der andere aber ein Objekt von nur 2,6-facher Sonnenmasse. Ein so großer Massenunterschied wurde nie zuvor bei einem Gravitationswellen-Ereignis beobachtet, so die Astronomen.

„Das Signal GW190814 ist eine unerwartete und wirklich aufregende Entdeckung“, sagt Abhirup Ghosh vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.

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Ist es ein Neutronenstern?

Doch was für ein Objekt ist der kleinere Partner? Mit seinen 2,6 Sonnenmassen liegt er genau im Niemandsland zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen. „Wenn es sich tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt, ist es das leichteste bekannte. Ist es hingegen ein Neutronenstern, so ist dies der massereichste, den wir je in einem Doppelsystem beobachtet haben“, sagt Ghosh. Denn gängigen Modellen zufolge liegt die Massenobergrenze für Neutronensterne bei 2,16 Sonnenmassen, für rotierende Exemplare rund 20 Prozent höher.

Doch es wäre nicht das erste Mal, das Astronomen einen vermeintlich zu schweren Neutronenstern detektieren. Und bislang ist nicht klar, unter welchen Bedingungen es vielleicht doch Ausnahmen von der Obergrenze gibt. Insofern scheint es durchaus möglich, dass es sich beim „Juniorpartner“ von GW190814 um einen – leicht übergewichtigen – Neutronenstern handelt. Die ersten LIGO-Analysen bezifferten die Wahrscheinlichkeit dafür sogar auf mehr als 99 Prozent.

Sollte sich dies bestätigen, dann wäre dies der erste eindeutige Nachweis der Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Denn ein früherer Kandidat vom 26. April 2019 war zu schwach, um eine klare Zuordnung zuzulassen.

Keine Kilonova

Ein Indiz für die Beteiligung eines Neutronensterns könnte ein begleitender Strahlenausbruch sein – eine sogenannte Kilonova. Deshalb haben Nicholas Vieira von der McGill University und sein Team schon zwei Tage nach Empfang von GW190814 die Herkunftsregion des Signals in infraroten und optischen Wellenlängen abgesucht.

Doch vergebens: „Wir haben keine überzeugenden optischen Gegenparts für diese Verschmelzung gefunden“, berichten Vieira und seine Kollegen. Wenn bei GW190814 elektromagnetische Strahlung freigesetzt wurde, lag sie demnach weit unter dem, was man für eine typische Kilonova erwarten würde. Die Forscher haben ausgerechnet, dass der Neutronenstern bei der Kollision weniger als 0,04 Sonnenmassen an Material ins All geschleudert haben muss.

Diese Visualisierung zeigt die Verschmelzung zweier Objekte, von denen eines gut neunmal massereicher ist als das andere.© Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Hinter dem Ereignishorizont zerrissen?

Wie aber ist das zu erklären? Nach Ansicht der Astronomen wären zwei Szenarien denkbar: Das Schwarze Loch könnte den Neutronenstern so schnell verschlungen haben, dass dieser hinter dem Ereignishorizont verschwand, bevor sein Zerreißen viel Strahlung freisetzen konnte. „Das ist, als wenn Pac-Man einen kleinen Punkt frisst“, erklärt Vicky Kalogera von der Northwestern University. „Wenn die Massen so asymmetrisch sind, dann wird der kleine Neutronenstern in einem Haps veschlungen.“

Denkbar wäre aber auch, dass es sich bei dem kleineren Partner doch um ein außergewöhnlich leichtes Schwarzes Loch handelt. Dann wäre dieses nur rund halb so schwer wie das kleinste bisher bekannte stellare Schwarze Loch mit rund fünf Sonnenmassen.

„Eine echte Herausforderung“

Klar scheint in jedem Fall: GW190814 ist anders als alle bisher mittels Gravitationswellen nachgewiesenen Ereignisse. „Es ist eine echte Herausforderung für die theoretischen Modelle, ein verschmelzendes Paar mit einem so großen Massenunterschied und einem leichteren Partner mitten in der Massenlücke zu erklären“, sagt Vicky Kalogera. „Unsere Entdeckung legt aber nahe, dass es solche Ereignisse häufiger gibt als wir glaubten.“

Die Astronomen hoffen nun, in zukünftigen LIGO/Virgo-Beobachtungsläufen noch weitere solcher exotischen Objekte zu finden. Das könnte dabei helfen, das Rätsel um diese ungleichen Paare zu lösen. „GW190814 könnte ein erster Blick auf eine ganz neue Population von Doppelsystemen sein“, sagt Charlie Hoy von der Cardiff University. (Astrophysical Journal Letters, 2020; doi: 10.3847/2041-8213/ab960f; Astrophysical Journal, 2020; doi: 10.3847/1538-4357/ab917d)

Quelle: LIGO, Max-Planck-Gesellschaft, Canada-France-Hawaii Telescope

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