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„Periodensystem“ der Gravitationswellen-Ereignisse

Neue Daten von LIGO, Virgo und KAGRA zeigen Gesetzmäßigkeiten und Ausreißer bei Kollisionen

Kollision
Unter den 90 inzwischen detektierten Gravitationswellen-Ereignissen sind auch Kollisionen von überraschend leichten oder schweren Partnern. Hier eine Simulation des extrem massereichen Ereignisses GW190521. © Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech/ MAYA Collaboration

Vielsagende Erschütterungen: Forscher der Gravitationswellen-Observatorien LIGO, Virgo und KAGRA haben den bisher umfangreichsten Katalog von Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen veröffentlicht. Er enthält Daten zu 90 solcher Kollisionen und erlaubt es den Astrophysikern, erste Gesetzmäßigkeiten zu erkennen. Es sind aber auch einige noch rätselhafte „Ausreißer“ darunter, die gängigen Theorien zu widersprechen scheinen.

Seit dem ersten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 haben Astrophysiker Dutzende weiterer Verschmelzungen zweier Schwarzer Löcher sowie die ersten Kollisionen von Neutronensternen und sogar ungleiche Verschmelzungen von Schwarzem Loch und Neutronenstern über die subtilen Erschütterungen der Raumzeit aufgespürt. Die Daten der Detektoren LIGO in den USA, Virgo in Italien und seit neuestem KAGRA in Japan eröffnen einen ganz neuen Blick auf kosmische Prozesse.

GRavitationswellen-Ereignisse
„Periodensystem“ aller GW-Ereignisse der ersten drei Laufzeiten.© Carl Knox, Hannah Middleton, LIGO/Virgo/KAGRA

35 neue Ereignisse in dritter Laufzeit

Jetzt hat die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration die Ergebnisse ihrer dritten Beobachtungsperiode und gleichzeitig einen Katalog aller 90 bisher detektierten Gravitationswellen-Ereignisse veröffentlicht. 35 davon sind seit dem letzten Katalog vom Oktober 2020 dazu gekommen. Die Zahl der Nachweise nimmt zu, weil die Detektoren durch fortlaufende Optimierungen immer sensibler und auflösungsstärker werden.

„Der dritte Beobachtungslauf hat mehr Entdeckungen erbracht als je zuvor“, berichtet LIGO-Mitglied Christopher Berry von der Northwestern University. „Durch die Kombination mit den früheren Entdeckungen bekommen wir einen wunderbaren Eindruck von der reichen Vielfalt der Doppelsternsystem im Universum. Unsere aktuellsten Ergebnisse belegen, dass Schwarze Löcher und Neutronensterne in vielen Größen und Kombinationen vorkommen.“

Erste Gesetzmäßigkeiten werden sichtbar

Das neue „Periodensystem“ der Gravitationswellen-Ereignisse enthüllt erstmals einige Gesetzmäßigkeiten und Trends in den Kollisionen dieser Objekte und in der Masse und Rotation der Schwarzen Löcher. Eine Erkenntnis: Die Häufigkeit von Verschmelzungs-Ereignissen nimmt mit zunehmender Rotverschiebung, also wachsender Entfernung zu uns zu. Einen möglichen Grund sehen die Forscher darin, dass die Sternbildungsrate im frühen Universum höher war und damit auch die Dichte und Menge von Doppelsternsystemen.

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Unerwartet ist dagegen die Beobachtung, dass die Massen der kollidierenden Schwarzen Löcher keinen gleichmäßigen Trend zeigen. „Die Massenverteilung bei den Verschmelzungen zweier Schwarzer Löcher ist uneinheitlich – es gibt klare Häufungen bei zehn und bei 35 Sonnenmassen“, berichten die Physiker. Sie vermuten, dass dies mit der Entstehung von Doppelsternen oder den Wechselwirkungen in diesen Systemen zu tun hat.

Massenverteilung
Massenverteilung der Kollisionspartner der resultierenden Schwarzen Löcher.© LIGO-Virgo / Aaron Geller / Northwestern University

Gibt es doch keine Massenlücke?

Noch überraschender ist jedoch die Beobachtung, wo die Verteilung der Kollisionen Lücken hat – und wo nicht. Gängiger Theorie nach können bei Supernovae keine Schwarzen Löcher mit mehr als rund 65 Sonnenmassen entstehen. Denn ist der Ausgangsstern deutlich schwerer, explodiert er nicht, sondern kollabiert direkt zum Schwarzen Loch – dieses hat dann mindestens 120 Sonnenmassen. Demnach müsste auch bei den Kollisionspartnern der Gravitationswellen-Ereignisse diese Massenlücke sichtbar werden.

Doch das ist nicht der Fall: Bei gleich mehreren Ereignissen war das größere der beiden Schwarzen Löcher schwerer als es sein dürfte. In dem 2019 detektierten Fall GW190521 erreichte ein Partner 66, der andere sogar 85 Sonnenmassen. Nach Ansicht der Forscher ist damit die Massenlücke entweder nicht vorhanden oder weniger klar abgegrenzt als man bisher dachte. „Wir finden keine Belege für eine verringerte Verschmelzungsrate oberhalb von 60 Sonnenmassen, die auf eine solche Massenlücke hindeuten würden“, so die Wissenschaftler.

Objekte im „Niemandsland“

Auch bei den Kollisionen mit Neutronenstern-Beteiligung gibt es einige noch rätselhafte „Ausreißer“: Bei einer ungleichen Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch war der kleinere Partner mit 1,17 Sonnenmassen einer der leichtesten je beobachteten Neutronensterne. Ein 2019 detektiertes Ereignis umfasste dagegen zwei Neutronensterne, war aber mit einer Gesamtmasse von 3,4 Sonnenmassen weit schwerer als alle bisher bekannten Neutronenstern-Doppelsysteme.

Ebenfalls überraschend ist das Ereignis GW190814. Bei ihm ist der größere Partner ein Schwarzes Loch, der kleinere Partner wiegt dagegen nur 2,6 bis 2,8 Sonnenmassen. Er ist damit zu schwer für einen Neutronenstern, aber eigentlich zu leicht für ein Schwarzes Loch. Denn bisher wurde noch nie ein Schwarzes Loch mit weniger als fünf Sonnenmassen beobachtet, wie die Astrophysiker erklären.

Weitere Überraschungen sind fast sicher

„Jede neue Beobachtungsperiode bringt uns neue Entdeckungen und Überraschungen“, sagt Hannah Middleton von der University of Melbourne. „In der dritten Laufzeit ist die Detektion von Gravitationswellen zwar fast schon alltäglich geworden, aber noch immer sind sie spannend. Künftige Beobachtungen werden mit Sicherheit weitere ungewöhnliche Ereignisse finden – die Gravitationswellen-Astronomie kann sich noch auf Vieles freuen!“

Zurzeit werden die Detektoren der LIGO- und Virgo-Observatorien mit weiter optimierten Sensoren und Spiegeln ausgerüstet, um dann in der vierten, im Sommer 2020 beginnenden Laufzeit eine noch größere Reichweite und Sensitivität für Gravitationswellen zu erhalten. Der 2020 in Japan in Betrieb genommene Gravitationswellen-Detektor KAGRA wird sich dann an gemeinsamen Beobachtungen beteiligen und so noch präzisere Messungen erlauben. (Preprint, 2021; arXiv:2111.03634)

Quelle: LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, Northwestern University, Rochester Institute of Technology

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