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Nie zuvor verschmolzen zwei so große Schwarze Löcher

Nie zuvor verschmolzen zwei so große Schwarze Löcher

Forscher haben die bislang massereichste Fusion zweier Schwarzer Löcher beobachtet. Erstaunlich ist, dass einer der beiden Himmelskörper nach gängiger Theorie zu schwer ist. Doch es gibt eine Erklärung.

Vor rund sieben Milliarden Jahren – damals war das Universum erst halb so alt wie heute – verschmolzen zwei Schwarze Löcher zu einem riesigen Schwarzen Loch, dessen konzentrierte Masse 150 Sonnenmassen entspricht. Bei dieser Fusion wurde eine gigantische Energiemenge in Form von Gravitationswellen abgestrahlt.

Diese Welle wurde am 21. Mai 2019 von den beiden Ligo-Detektoren in den USA und dem Virgo-Detektor in Italien empfangen. Diese Messungen und deren astrophysikalische Bedeutung stellen die beteiligten Wissenschaftler jetzt in den Journalen „Physical Review Letters“ und „Astrophysical Journal Letters“ vor.

Die Forscher sprechen vom „bislang dicksten Fisch“, der ihnen mit den Gravitationswellendetektoren Ligo und Virgo ins Netz gegangen sei. Nie zuvor haben sie die Fusion von zwei so massereichen Schwarzen Löchern beobachten können. Zudem ist es das bislang am weitesten von der Erde entfernte Ereignis, das sie mit ihren empfindlichen Messgeräten registrieren konnten.

Zwischen diesen beiden Rekorden gibt es einen logischen Zusammenhang: Nur weil bei der Fusion von zwei so massereichen Objekten eine sehr große Energiemenge abgestrahlt wurde – die der Energie von sieben Sonnenmassen entspricht –, konnten die Gravitationswellen noch nach ihrer Reise von sieben Milliarden Lichtjahren von irdischen Detektoren aufgefangen werden.

Das registrierte Signal war ziemlich kurz: Es wurde von den drei beteiligten Detektoren nur rund eine Zehntelsekunde lang gemessen – was zwei gegenseitigen Umläufen der beiden Schwarzen Löcher entspricht. Während dieser kurzen Zeit stieg die Frequenz des Signals von 30 auf 80 Hertz, bevor es abrupt mit der Verschmelzung der Objekte endete.

„Von Anfang an stellte uns dieses sehr kurze Signal vor Herausforderungen, als wir seinen Ursprung identifizieren wollten“, sagt Professor Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, „doch trotz seiner kurzen Dauer konnten wir zeigen, dass dieses Signal genau dem entspricht, was wir nach der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein von verschmelzenden Schwarzen Löchern erwarten.“

Und so konnten die Forscher aus dem zwar kurzen, dafür aber sehr lauten Signal auch die Massen der beiden Schwarzen Löcher ermitteln. Das eine barg 66 und das andere 85 Sonnenmassen in sich. Durch die Fusion entstand ein massereicheres Schwarzes Loch mit 142 Sonnenmassen.

Dass sich dieser Wert nicht einfach aus der Summe der beiden Ursprungsmassen ergibt, liegt daran, dass beim Verschmelzungsvorgang Energie freigesetzt wird. Die mit GW190521 registrierte Fusion ist die erste direkte Beobachtung der Geburt eines mittelschweren Schwarzen Loches.

Wissenschaftlich besonders interessant ist, dass es ein Schwarzes Loch mit der 85-fachen Masse unserer Sonne nach den heutigen Theorien als Ergebnis einer Sternenexplosion gar nicht geben dürfte.

„Nach unserem Verständnis davon, wie Sterne altern und sich entwickeln, erwarten wir, dass wir Schwarze Löcher mit entweder weniger als 65 Sonnenmassen oder mehr als 135 Sonnenmassen finden, aber keine dazwischen“, erklärt Frank Ohme, Leiter einer Max-Planck-Forschungsgruppe am Albert-Einstein-Institut (AEI) in Hannover. „Das Schwarze Loch mit 85 Sonnenmassen im Ursprungssystem von GW190521 fällt genau in diese Lücke, wo es nicht sein sollte! Das kann zwei Dinge bedeuten: Unser Verständnis der Sternentwicklung ist unvollständig, oder hier hat sich etwas anderes ereignet.“

Alessandra Buonanno geht indes davon aus, „dass das massereichere der beiden Schwarzen Löcher höchstwahrscheinlich selbst aus einer früheren Verschmelzung eines Doppelsystems hervorgegangen ist“. Es könnte also sein, dass die Forscher mit der von GW190521 gesendeten Kurznachricht eine neue Klasse von Doppelsystemen aus Schwarzen Löchern entdeckt haben.

„Wir wissen noch nicht, ob das so ist“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Bald, wenn wir alle Verschmelzungen Schwarzer Löcher analysiert haben, die Ligo und Virgo in ihrem dritten Beobachtungslauf beobachtet haben, wissen wir hoffentlich mehr.“

 

www.welt.de/wissenschaft/article214877898/Schwarze-Loecher-Die-bislang-massereichste-Fusion.html