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GRAVITATIONSWELLEN
Schwarze Löcher verschluckten Neutronenstern
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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1. Juli 2021

Forschende haben erstmals die Gravitationswellen von einem Schwarzen Loch aufgefangen, das einen Neutronenstern verschluckt. Gleich zwei im Januar 2020 beobachtete Signale dürften sich so erklären lassen. Durch eine Aufrüstung der Detektoren für den vierten Beobachtungslauf sollten künftig noch deutlich mehr Signale dieser Art entdeckt werden.

Simulation

Wie in dieser Simulation könnte es aussehen, wenn ein Neutronenstern von einem Schwarzen Loch zerrissen und verschluckt wird. Bild: Deborah Ferguson (UT Ausitn), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech), and Karan Jani (Vanderbilt University)  [Großansicht]

LIGO-, Virgo- und KAGRA-Forschende haben jetzt zwei neue Gravitationswellenereignisse vorgestellt, die sie innerhalb von nur zehn Tagen im Januar 2020 während der zweiten Hälfte des dritten Beobachtungslaufs entdeckten. Das von den LIGO- und Virgo-Detektoren beobachtete Signal ist der erste sichere Nachweis einer Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Die Wellen kamen aus Entfernungen von mehr als 900 Millionen Lichtjahren. Die Schwarzen Löcher verschluckten die Neutronensterne am Stück. Auch wenn sich von beiden Ereignissen kein Licht nachweisen ließ, waren die Gravitationswellen klar und deutlich. Sie erlauben den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erste Rückschlüsse auf die Entstehung dieser seltenen Doppelsysteme und darauf wie oft sie verschmelzen. Die beiden Gravitationswellen-Ereignisse tragen die Bezeichnungen GW200105 und GW200115 und wurden am 5. Januar und 15. Januar 2020 beobachtet.

"Innerhalb von nur zehn Tagen im Januar 2020 haben unsere Detektoren zwei brandneue Signale aufgefangen. Sie stammen von Schwarzen Löchern mit neun und sechs Sonnenmassen, die mit zwei leichteren Objekten mit 1,9 bzw. 1,5 Sonnenmassen verschmolzen", erläutert Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Potsdam und Professorin an der University of Maryland. "GW200115 ist unser erster sicherer Nachweis der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Diese interessante neue Quelle von Gravitationswellen vervollständigt unsere Sammlung verschmelzender kompakter Objekte."

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Einer der LIGO-Detektoren wies das erste der beiden Ereignisse, GW200105, als starkes Signal nach, während der andere vorübergehend nicht im Messbetrieb war. Aus den Gravitationswellen schlossen die Astronominnen und Astronomen, dass das Signal von einem Schwarzen Loch mit der neunfachen Masse unserer Sonne stammte, das mit einem kompakten Objekt 1,9-facher Sonnenmasse verschmolz. Sie folgerten, dass es sich beim leichteren Objekt um einen Neutronenstern handelt. Diese Verschmelzung fand etwa 900 Millionen Lichtjahre entfernt statt.

"Obwohl wir ein starkes Signal in nur einem Detektor sehen, schließen wir daraus, dass es echt ist und nicht nur Detektorrauschen. Es besteht alle unsere strengen Qualitätskontrollen und hebt sich von allen Rauschereignissen ab, die wir im dritten Beobachtungslauf sehen", sagt Harald Pfeiffer, Gruppenleiter in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI Potsdam. Da nur ein Detektor das Signal beobachtete, lässt sich die Richtung zum Ursprung der Wellen nicht sehr genau, sondern nur auf etwa 17 % des gesamten Himmels eingrenzen. Das entspricht in etwa der Fläche von 34.000 Vollmonden.

Das zweite Ereignis GW200115, das nur zehn Tage später entdeckt wurde, haben alle drei großen Detektoren gesehen: beide LIGO-Instrumente und Virgo. In jedem einzelnen Detektor ist es weniger auffällig als GW200105, doch die gemeinsame Verarbeitung der Messdaten und die zeitlich zusammenfallenden Nachweise machen es zu einem starken Signal. GW200115 stammt von der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit sechs Sonnenmassen mit einem Neutronenstern mit 1,5-facher Masse unserer Sonne. Die Verschmelzung fand rund eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt statt. Mit den Beobachtungsdaten der drei weit von einander entfernten irdischen Detektoren lässt sich die Richtung zum Ursprung der Wellen auf einen Teil des Himmels eingrenzen, der der Fläche von 2.900 Vollmonden entspricht. Mehrere Observatorien führten verschiedene Folgebeobachtungen durch, konnten aber kein Gegenstück der beiden Ereignisse im elektromagnetischen Spektrum aufspüren.

"Die Beobachtung eines elektromagnetischen Signals der Verschmelzung wäre fantastisch gewesen, aber wir haben das nicht unbedingt erwartet", sagt Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. "Jegliches Licht wäre aufgrund der großen Entfernungen sehr schwach und durch die nur ungenau bekannten Himmelspositionen schwierig aufzuspüren. Wir schließen außerdem aus den Daten, dass die Schwarzen Löcher, die an diesen Verschmelzungen beteiligt sind, ihre Neutronensternpartner einfach am Stück verschluckt haben, so dass gar kein Licht abgestrahlt wurde."

Allein anhand des Gravitationswellensignals lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, ob es sich bei den leichteren Objekten tatsächlich um Neutronensterne handelt. Die Fingerabdrücke der zu erwartenden Verformungen der Neutronenstern ließen sich im Signal weder sicher nachweisen, noch konnte ihre Abwesenheit bewiesen werden. "Die Gravitationswellen allein verraten uns zwar nicht die Struktur des leichteren Objekts, aber wir können auf seine maximale Masse schließen. Indem wir diese Informationen mit theoretischen Vorhersagen über die zu erwartenden Massen von Neutronensternen in einem solchen Doppelsystem kombinieren, kommen wir zu dem Schluss, dass ein Neutronenstern die wahrscheinlichste Erklärung ist", sagt Bhooshan Gadre, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI Potsdam.

Da diese Ereignissen die ersten sicheren Beobachtungen der Gravitationswellen von Verschmelzungen Schwarzer Löcher mit Neutronensternen sind, können die Forschenden nun abschätzen, wie oft solche Ereignisse im Universum stattfinden. Sie erwarten, dass in Entfernungen von bis zu einer Milliarde Lichtjahren etwa eine solche Verschmelzung pro Monat stattfindet. Nicht alle dieser Ereignisse lassen mit den derzeitigen Detektoren nachweisen.

Während unklar ist, wie genau diese Doppelsysteme entstanden sind, gibt es drei Möglichkeiten, die die Astronominnen und Astronomen für die wahrscheinlichsten Erklärungen halten. Doppelsterne können sich zu solchen Systemen entwickeln, wenn ihre Komponenten mit der Zeit zu Schwarzen Löchern und Neutronensternen werden. Dichte Sterngesellschaften wie junge Sternhaufen sind ein weiterer wahrscheinlicher Ursprungsort, ebenso wie die Umgebung der Zentren von Galaxien.

"Derzeit bereiten wir die Detektoren für ihren vierten Beobachtungslauf vor, der im Sommer 2022 beginnen soll. Sie werden dann noch empfindlicher sein, so dass wir jeden einzelnen Tag Gravitationswellen beobachten könnten", sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI Hannover und Leiter des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. "In einigen Jahren werden wir weitere Verschmelzungen Schwarzer Löcher mit Neutronensternen beobachtet haben. Daraus werden wir mehr über Materie unter Extrembedingungen, über das Leben der Sterne und die Eigenschaften dieser seltenen Ereignisse lernen."

Über die Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters erschienen ist.

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Links im WWW
Abbott et al. (2021): Observation of gravitational waves from two neutron star–black hole coalescences, ApJL, 915, L5
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (AEI)
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