Erklärt: Zwei Schwarze Löcher sind vor Milliarden von Jahren verschmolzen, aber jetzt gibt es den Wissenschaftlern Rätsel auf

LIGO und Virgo erkennen Signale von Gravitationswellen, die bei der Fusion freigesetzt werden. Eines der beiden Schwarzen Löcher hatte eine ungewöhnliche mittlere Masse, die traditionelle wissenschaftliche Erkenntnisse in Frage stellt. Was wird allgemein verstanden und was erklärt diese ungewöhnliche Größe?

Künstlerisches Konzept zur Veranschaulichung eines hierarchischen Schemas zur Verschmelzung von Schwarzen Löchern. (Bildnachweis: LIGO/Caltech/MIT/R verletzt [IPAC])

Vor Milliarden von Jahren sandte eine Kollision zweier Schwarzer Löcher Gravitationswellen durch das Universum. Im Jahr 2019 waren Signale dieser Wellen entdeckt am Gravitationswellen-Observatorium LIGO (USA) und der Detektor Virgo (Italien).

Was die Wissenschaftler jedoch begeistert hat, ist die Masse eines der Mutterschwarzen Löcher, die sich dem traditionellen Wissen über die Entstehung von Schwarzen Löchern widersetzt.

Die Entdeckung und die Analyse werden in zwei Forschungsarbeiten beschrieben. Eins, in Physische Überprüfungsschreiben , detailliert die Entdeckung und schlägt mögliche Wege vor, wie die ungewöhnliche Fusion stattgefunden haben könnte. Das andere Papier, in Die Briefe des Astrophysikalischen Journals , diskutiert die physikalischen Eigenschaften des Signals.

Was wurde genau festgestellt?

Es war ein Signal einer Gravitationswelle, einem relativ neuen Entdeckungsgebiet. Gravitationswellen sind unsichtbare Wellen, die sich bilden, wenn ein Stern in einer Supernova explodiert; wenn zwei große Sterne einander umkreisen; und wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen. Gravitationswellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und quetschen und dehnen alles, was sich in ihrem Weg befindet.

Gravitationswellen wurden vor über einem Jahrhundert von Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschlagen. Die erste Gravitationswelle wurde jedoch erst 2015 tatsächlich entdeckt – von LIGO. Seitdem gab es eine Reihe von nachfolgenden Nachweisen von Gravitationswellen.

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Das bei LIGO und Virgo entdeckte Signal ähnelte, wie von der LIGO-Kollaboration beschrieben, etwa vier kurzen Wackeln und dauerte weniger als eine Zehntelsekunde.

Wo ist es hergekommen?

Nachfolgende Analysen legten nahe, dass GW190521 höchstwahrscheinlich durch eine Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstanden war. Das Signal repräsentierte wahrscheinlich den Moment, in dem die beiden fusionierten. Es wurde berechnet, dass es aus einer Entfernung von etwa 17 Milliarden Lichtjahren stammt und aus einer Zeit, als das Universum etwa halb so alt war.

Aber diese Erkenntnisse führten zu weiteren Fragen. Eines der beiden verschmelzenden Schwarzen Löcher fällt in einen mittleren Massenbereich – eine Fehlanpassung, die mit dem traditionellen Wissen über die Entstehung Schwarzer Löcher nicht erklärt werden kann.

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Warum ist es ungewöhnlich?

Alle bisher beobachteten Schwarzen Löcher gehören zu einer von zwei Kategorien. Eine Kategorie reicht zwischen wenigen Sonnenmassen (eine Sonnenmasse ist die Masse unserer Sonne) und Dutzenden von Sonnenmassen. Es wird angenommen, dass sich diese bilden, wenn massereiche Sterne sterben.

Die andere Kategorie sind supermassereiche Schwarze Löcher. Diese reichen von Hunderttausenden bis hin zum Milliardenfachen unserer Sonne.

Nach traditionellem Wissen tun Sterne, die Schwarze Löcher zwischen 65 und 120 Sonnenmassen gebären könnten, dies nicht – Sterne in diesem Bereich sprengen sich beim Sterben selbst auseinander, ohne zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren.

Aber bei der Verschmelzung, die zum GW190521-Signal führte, hatte das größere Schwarze Loch 85 Sonnenmassen – weit innerhalb dieses unerwarteten Bereichs, der als Paarinstabilitäts-Massenlücke bekannt ist. Es ist das erste jemals beobachtete Schwarze Loch mittlerer Masse. (Tatsächlich ist auch das kleinere Schwarze Loch mit 66 Sonnenmassen grenzwertig.)

Die beiden verschmolzen zu einem neuen Schwarzen Loch mit etwa 142 Sonnenmassen. Energie, die acht Sonnenmassen entspricht, wurde in Form von Gravitationswellen freigesetzt, was zu der stärksten Welle führte, die Wissenschaftler bisher entdeckt haben.

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Wie konnte sich das Schwarze Loch von ungewöhnlicher Masse gebildet haben?

Die Forscher vermuten, dass das Schwarze Loch mit 85 Sonnenmassen nicht das Produkt eines kollabierenden Sterns war, sondern selbst das Ergebnis einer früheren Verschmelzung. Entstanden durch eine Kollision zwischen zwei Schwarzen Löchern ist es wahrscheinlich, dass das neue Schwarze Loch dann mit dem 66-Sonnenmassen-Schwarzen Loch verschmolz – was zu Gravitationswellen und dem von LIGO und Virgo empfangenen Signal führte.

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