Ein schwarzes Loch und sein rätselhafter Begleiter

Die Gravitationswellen-Detektoren LIGO und Virgo finden ein überraschendes Doppelsystem

23. Juni 2020

Die Beobachtung von Gravitationswellen hat sich mittlerweile zu einem festen Bestandteil der Astronomie etabliert und bietet immer wieder Überraschungen. So haben die Detektoren LIGO und Virgo ein Signal entdeckt, das auf ein außergewöhnliches Ereignis hinweist: Ein schwarzes Loch mit 23 Sonnenmassen und ein Objekt von lediglich 2,6-facher Sonnenmasse sind miteinander verschmolzen. Dieses zweite Objekt ist rätselhaft und befindet sich in der Massenlücke zwischen den schwersten bekannten Neutronensternen und den leichtesten schwarzen Löchern. Das seltsame Paar stellt das derzeitige Verständnis der Entstehung und Entwicklung solcher Systeme in Frage.

Kollision im All: Diese Visualisierung zeigt den Zusammenprall eines schwarzen Lochs und eines anderen kompakten Objekts, die einander umkreisen, vers Bild vergrößern

Kollision im All: Diese Visualisierung zeigt den Zusammenprall eines schwarzen Lochs und eines anderen kompakten Objekts, die einander umkreisen, verschmelzen und dabei Gravitationswellen aussenden. Das schwarze Loch ist 9,2-fach so massereich wie das kleinere Objekt. Beide drehen sich nicht um sich selbst.

„Das Signal GW190814 ist eine unerwartete und wirklich aufregende Entdeckung“, sagt Abhirup Ghosh vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Denn nie zuvor haben die Astronomen eine Gravitationswelle von einem System gemessen, in dem sich die Einzelmassen so unterschiedlich verteilen. Zudem rätseln die Forschenden, was hinter dem massearmen Objekt steckt. „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“, so Ghosh.

Wegen der so unterschiedlichen Massen sind die Fingerabdrücke der Gezeitenverformung des Neutronensterns, die seine Anwesenheit verraten würden, in GW190814 schwer zu erkennen – und wurden auch nicht nachgewiesen. Würde es sich bei dem Objekt tatsächlich um eine solche kompakte Sternleiche von nur 20 Kilometer Durchmesser handeln, wäre sie außergewöhnlich schwer. Das würde unser Verständnis davon, wie sich Neutronenstern-Materie verhält und wie massereich diese exotischen Objekte sein können, herausfordern.

„Weil die Massen der Objekte so unterschiedlich sind, konnten wir das Brummen einer höheren Harmonischen der Gravitationswelle, das den Obertönen von Musikinstrumenten ähnelt, eindeutig identifizieren“, sagt Jonathan Gair, Gruppenleiter am Potsdamer Max-Planck-Institut. Diese Oberschwingung, deren Frequenz wie in der Musik ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz ist, wurde bei GW190814 erst zum zweiten Mal überhaupt nachgewiesen. „Das erlaubt es uns, einige astrophysikalische Eigenschaften des Doppelsystems genauer zu messen.“ Vorstellbar seien zudem neue Tests von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.

GW190814 wurde sowohl von den beiden LIGO-Detektoren in den USA als auch von der Anlage Virgo in Italien am 14. August 2019 während des dritten Beobachtungslaufs (O3) der Observatorien beobachtet – auf den Tag genau zwei Jahre nach GW170814, dem ersten von allen drei Instrumenten gemeinsam registrierten Signal.

„Durch den günstigen Umstand, ein so lautes Signal mit ganz unterschiedlichen Komponentenmassen über eine Dauer von etwa zehn Sekunden beobachtet zu haben, konnten wir die bisher präziseste Messung der Eigenrotation eines schwarzen Lochs mittels Gravitationswellen vornehmen“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Dies sei wichtig, weil die Eigenrotation eines schwarzen Lochs Informationen über dessen Entstehung und Entwicklung enthält. „Wir fanden heraus, dass sich dieses schwarze Loch mit 23 Sonnenmassen ziemlich langsam dreht, nämlich mit weniger als sieben Prozent der von der allgemeinen Relativitätstheorie erlaubten maximalen Eigenrotation“, so Buonanno.

Farbige Töne: Jedes dieser vier Bilder zeigt einen anderen Oberton des Gravitationswellensignals. Von links nach rechts und von oben nach sind das qua Bild vergrößern

Farbige Töne: Jedes dieser vier Bilder zeigt einen anderen Oberton des Gravitationswellensignals. Von links nach rechts und von oben nach sind das quadrupolare (orange), oktupolare (magenta), hexadekupolare (violett) und 32-polare (blau) Mode.

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Laut Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, ist es schwierig, etwas über die Umgebung, in der dieses ungewöhnliche Doppelsystem geboren wurde, und über seine Entwicklung herauszufinden: „Es ist anders als die meisten solcher Systeme, die wir aus Simulationen kennen.“ Der Forscher glaubt, dass GW190814 und ähnliche zukünftige Signale dabei helfen könnten, diese unerwartete neue Art von Doppelsystemen und die Prozesse, die zur Entstehung von schweren Neutronensternen oder leichten schwarzen Löchern führen, besser zu verstehen.

Die Astronomen vermuten, dass sich das System mit größter Wahrscheinlichkeit entweder in einem jungen, dichten Sternhaufen oder in der Umgebung eines aktiven Galaxienkerns gebildet hat. Basierend auf ihren Schätzungen, wie viele solcher Systeme im Universum existieren und wie oft sie miteinander verschmelzen, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sie in zukünftigen LIGO/Virgo-Beobachtungsläufen noch weitere solcher exotischen Objekte finden werden.

Aus dem empfangenen Gravitationswellensignal lassen sich einige astrophysikalische Eigenschaften – etwa die Entfernung – genauer bestimmen. So zeigen Datenanalysen, dass die Verschmelzung in einer Entfernung von etwa 780 Millionen Lichtjahren von der Erde stattfand. Die Richtung zum Signalursprung konnte auf eine Fläche im Sternbild Bildhauer (Sculptor) am Südhimmel eingegrenzt werden, die am Firmament ungefähr der Größe von 90 Vollmonden entspricht.

Die Max-Planck-Forschenden trugen sowohl zum Nachweis als auch zur Analyse von GW190814 bei. Sie stellten genaue Modelle der Gravitationswellen von verschmelzenden schwarzen Löchern bereit. Die Modelle berücksichtigten erstmals die Präzession der Eigenrotationen der schwarzen Löcher sowie Gezeiteneffekte, die durch den möglichen Neutronenstern-Begleiter hervorgerufen werden.

Diese in die Wellenform eingeprägten Merkmale sind entscheidend, um einzigartige Informationen über die Eigenschaften der Quelle zu gewinnen und die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Die Hochleistungs-Computercluster „Minerva“ und „Hypatia“ am Max-Planck-Institut in Potsdam wurden zur Entwicklung der für die Untersuchungen verwendeten Wellenformmodelle eingesetzt.

Nachdem die Entfernung und die Himmelsposition genau bestimmt waren, nutzten die Wissenschaftler GW190814 dazu, mittels Gravitationswellen die Hubble-Konstante zu bestimmen. Diese beschreibt die Rate, mit der sich das Universum ausdehnt. Das Ergebnis ist zwar weniger genau als andere Messungen dieser Konstante, aber in Übereinstimmung mit diesen. Außerdem verwendeten die Fachleute GW190814 auch dazu, um nach Abweichungen von den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu suchen. Fazit: Selbst dieses ungewöhnliche Signal, das eine neue Art von Verschmelzungsereignissen darstellt, folgt den Vorhersagen der Theorie.

Die Entdeckung vom 14. August 2019 ist die dritte aus dem dritten Beobachtungslauf (O3) des internationalen Netzwerks der drei großen Gravitationswellen-Detektoren, die bis dahin mehrfach aufgerüstet wurden. „Während O3, der vom 1. April 2019 bis zum 27. März 2020 dauerte, verwendeten wir gequetschtes Licht, um die Empfindlichkeit von LIGO und Virgo um 40 Prozent zu erhöhen“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut in Hannover sowie am Institut für Gravitationsphysik der dortigen Leibniz Universität. Entwickelt wurde diese Technik zur genauen Abstimmung der quantenmechanischen Eigenschaften des Laserlichts am deutsch-britischen Detektor GEO600.

EM / KNI / HOR

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