Das Bild zeigt die simulierte Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher

© N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Colla

Science
09/02/2020

Riesige Schwarze Löcher verschmolzen: Forscher messen Schockwelle

Astronomen wurden erstmals Zeuge der Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs mit 142 Sonnenmassen.

Eine Gravitiations-Schockwelle, die sich durch das Universum ausgebreitet hat, weist auf die bisher massereichste gemessene Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher hin. Die Observatorien Ligo in den USA und Virgo in Italien registrierten am 21. Mai 2019 die Gravitationswellen vom Crash zweier Schwerkraftmonster mit knapp 66 und 85 Mal so viel Masse wie unsere Sonne.

Das resultierende Schwarze Loch mit 142 Sonnenmassen sei das erste aus dem mittleren Massebereich, das jemals beobachtet worden sei, berichten die Forscher, die ihre Messungen in zwei Fachaufsätzen in den Journalen "Physical Review Letters" und "Astrophysical Journal Letters" vorstellen.

"Peng" statt "Zirpen"

Die Verschmelzung fand vor rund sieben Milliarden Jahren statt, als das Universum erst halb so alt war wie heute. Sie hat eine Energie freigesetzt, die nach Albert Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz E=mc^2 rund 8 Sonnenmassen entspricht. Das bedeutet, etwa die achtfache Masse unserer Sonne ist als Energie in die Erzeugung der Gravitationswellen geflossen. Das hat die Raumzeit so sehr zum Beben gebracht, dass dies auch in einer Entfernung von heute rund 16 Milliarden Lichtjahren auf der Erde noch nachweisbar war. Die Verschmelzung ist damit nicht nur das massereichste, sondern auch das fernste Ereignis, das die Gravitationswellendetektoren bisher registriert haben.

"Dies sieht nicht so sehr aus wie das Zirpen, das wir normalerweise beobachten", erläuterte Virgo-Wissenschafter Nelson Christensen in einer Mitteilung. "Dies ist mehr etwas, das "Peng" macht, und es ist das massereichste Signal, das Ligo und Virgo gesehen haben." Die Gravitationswellenobservatorien hätten "ihren bisher dicksten Fisch gefangen", formulierte das an der Entdeckung beteiligte Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover.

Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs

Das Signal mit der Katalognummer GW190521 dauerte nur rund eine Zehntelsekunde und zeigte lediglich zwei spiralförmige Umläufe der Schwarzen Löcher, bevor sie schließlich miteinander verschmolzen sind. "Trotz der kurzen Dauer konnten wir zeigen, dass das Signal einem entspricht, das wir - wie von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt - von verschmelzenden Schwarzen Löchern erwarten", berichtete die Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Alessandra Buonanno. "Uns wurde klar, dass wir erstmals Zeuge der Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs waren, dessen einer Elternteil höchstwahrscheinlich selbst aus einer früheren Verschmelzung eines Doppelsystems hervorgegangen ist."

Mittelschwere Schwarze Löcher haben 100 bis 100.000 Mal so viel Masse wie unsere Sonne. Die Verschmelzung liefert den ersten eindeutigen Nachweis für ein Schwarzes Loch aus dieser Klasse. Während kleinere Schwarze Löcher bei Sternexplosionen entstehen, finden sich größere in den Zentren von Galaxien wie unserer Milchstraße, wo sie sich große Mengen Materie einverleibt haben.

Masse wirft Fragen auf

Die Massen der beiden Schwarzen Löcher, deren Verschmelzung nun registriert wurde, bereiten den Astrophysikern allerdings noch Kopfzerbrechen, denn insbesondere ein Schwarzes Loch mit 85 Sonnenmassen sollte eigentlich gar nicht entstehen können. Nur Sterne bis etwa 130 Sonnenmassen stürzen der Theorie zufolge in einer Supernovaexplosion zu Schwarzen Löchern zusammen, die dann jedoch höchstens 65 Sonnenmassen haben sollten. Schwerere Sterne verlieren demnach durch wiederholte heftige Ausbrüche so viel Masse, dass sie am Ende wieder nur ein Schwarzes Loch mit weniger als 65 Sonnenmassen erzeugen.

Noch schwerere Sterne mit mehr als 200 Sonnenmassen könnten dagegen der Theorie zufolge am Ende ihrer Existenz direkt zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzen, das dann aber mehr als 120 Sonnenmassen haben sollte. Zwischen 65 und 120 Sonnenmassen dürfte es also gar keine Schwarzen Löcher geben. Die Wissenschafter halten es am wahrscheinlichsten, dass der größere der beiden Vorläufer selbst schon das Ergebnis einer Verschmelzung entsprechend kleinerer Schwarzer Löcher gewesen ist.

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