Gefangen in einer tödlichen Spirale nach innen, fand ein Neutronenstern sein Ende, als ein Schwarzes Loch ihn ganz verschlang. Gravitationswellen von dieser Kollision breiteten sich durch den Kosmos nach außen aus und erreichten schließlich die Erde. Die Entdeckung dieser Wellen markiert die erste gemeldete Sichtung eines Schwarzen Lochs, das den dichten Überrest eines toten Sterns verschlingt. Und überraschenderweise entdeckten Wissenschaftler nur wenige Tage nach der ersten eine zweite solche Fusion.
Bisher waren alle identifizierten Gravitationswellenquellen zweierlei: entweder zwei Schwarze Löcher oder zwei Neutronensterne, die sich spiralförmig umeinander drehten, bevor sie kollidierten und miteinander verschmolzen (SN: 1/21/21). Die heftigen kosmischen Kollisionen erzeugen Wellen, die das Gewebe der Raumzeit dehnen und zusammendrücken, Wellen, die von empfindlichen Detektoren aufgespürt werden können.
Die nicht übereinstimmende Paarung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns war die letzte Art der Verschmelzung, die Wissenschaftler mit aktuellen Gravitationswellen-Observatorien erwarteten. Durch reinen Zufall entdeckten die Forscher zwei dieser Ereignisse innerhalb von 10 Tagen, die LIGO, Virgo und KAGRA-Kooperationen berichten im 1. Juli Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe.
Nicht nur, dass Verbindungen zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen bisher nicht über Gravitationswellen gesehen wurden, die Smashups wurden auch auf andere Weise noch nie entdeckt.
„Das ist ein absoluter erster Blick“, sagt die theoretische Physikerin Susan Scott von der Australian National University in Canberra, Mitglied der LIGO-Kollaboration.
Das Ergebnis fügt der Liste der neuen Entdeckungen mit Gravitationswellen ein weiteres Häkchen hinzu. „Das ist eine Feier wert“, sagt der Astrophysiker Cole Miller von der University of Maryland in College Park, der nicht an der Forschung beteiligt war. Seit die ersten Gravitationswellen im Jahr 2015 entdeckt wurden, lüften die Observatorien immer wieder neue Geheimnisse. „Es sind fantastische neue Dinge; es ist nicht nur das gleiche alt, das gleiche alt“, sagt er.
Anzeichen für die Kollisionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen, die 2020 in den Gravitationswellen-Observatorien LIGO und Virgo am 5. und 15. Januar registriert wurden. Die erste Verschmelzung bestand aus einem Schwarzen Loch mit der etwa 8,9-fachen Sonnenmasse und einem Neutronenstern von etwa 1,9 mal die Masse der Sonne. Die zweite Verschmelzung hatte ein Schwarzes Loch mit 5,7 Sonnenmasse und einen Neutronenstern mit 1,5 Sonnenmassen. Beide Kollisionen ereigneten sich mehr als 900 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, schätzen die Wissenschaftler.
Um nachweisbare Gravitationswellen zu bilden, müssen die verschmelzenden Objekte extrem dicht sein, mit Identitäten, die durch ihre Massen bestimmt werden können. Alles mit einer Masse über fünf Sonnenmassen könnte nur ein Schwarzes Loch sein, denken Wissenschaftler. Alles unter etwa drei Sonnenmassen muss ein Neutronenstern sein.
Eine frühere Gravitationswellendetektion beinhaltete die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem nicht identifizierbaren Objekt, da seine Masse zwischen den Cutoffs zu liegen schien, die Schwarze Löcher und Neutronensterne trennen (SN: 23.06.20). Eine andere frühere Verschmelzung könnte aus der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern hervorgegangen sein, aber das Signal dieses Ereignisses war nicht stark genug, um Wissenschaftlern sicher zu sein, dass die Entdeckung das Richtige war. Die beiden neuen Entdeckungen sprechen für Treffen mit Schwarzen Löchern und Neutronensternen.
Eine der neuen Veranstaltungen ist überzeugender als die andere. Die Fusion am 5. Januar wurde nur in einem der beiden Gravitationswellendetektoren von LIGO beobachtet, und das Signal hat eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit, dass es sich um einen Fehlalarm handelt, sagt Miller. “Wenn dies die einzige Veranstaltung wäre, dann wären Sie nicht so zuversichtlich.” Das Ereignis am 15. Januar „scheint ziemlich solide“ zu sein, sagt er.
Epische Rendezvous zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern finden regelmäßig im gesamten Kosmos statt, wie die Entdeckungen nahelegen. Basierend auf der Geschwindigkeit der Entdeckungen schätzen die Forscher, dass diese Ereignisse etwa einmal im Monat innerhalb einer Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt stattfinden.
Wissenschaftler wissen noch nicht, wie Neutronensterne und Schwarze Löcher aufeinandertreffen. Sie könnten sich zusammen bilden, als zwei Sterne, die einander umkreisen, bis beiden der Treibstoff ausgeht und sie sterben, wobei einer zu einem Schwarzen Loch kollabiert und der andere einen Neutronenstern bildet. Oder die beiden Objekte könnten sich getrennt gebildet haben und sich in einer überfüllten Region voller Neutronensterne und Schwarzer Löcher getroffen haben.
Da sich ein Schwarzes Loch und ein Neutronenstern spiralförmig nach innen drehen und verschmelzen, erwarten Wissenschaftler, dass das Schwarze Loch den Neutronenstern in Stücke reißen könnte und eine Lichtshow erzeugen könnte, die mit Teleskopen beobachtet werden könnte. Aber Astronomen fanden nach den beiden neu gemeldeten Begegnungen weder ein Feuerwerk noch Beweise dafür, dass die Schwarzen Löcher die Neutronensterne deformierten.
Das könnte daran liegen, dass das Schwarze Loch in beiden Fällen deutlich größer war als der Neutronenstern, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch den Neutronenstern als Ganzes in einer Pac-Man-würdigen Mahlzeit verschlungen hat, sagt Scott.
Wenn Wissenschaftler in Zukunft ein Schwarzes Loch entdecken könnten, das einen Neutronenstern zerfetzt, könnte dies den Forschern helfen, die Eigenschaften des ultradichten, neutronenreichen Materials zu bestimmen, aus dem die toten Sterne bestehen (SN: 20.04.21).
Bei früheren Detektionen von Gravitationswellen hat sich das Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) mit Sitz in den USA mit Virgo in Italien zusammengetan. Die neuen Beobachtungen sind die ersten, die Mitglieder eines dritten Observatoriums, KAGRA, in Japan (SN: 18.01.19). Der KAGRA-Detektor selbst trug jedoch nicht zu den Ergebnissen bei, da die Wissenschaftler ihn damals noch darauf vorbereiteten, Gravitationswellen zu detektieren. LIGO, Virgo und KAGRA sind derzeit alle offline, während Wissenschaftler an den Detektoren basteln und 2022 ihre gemeinsame Suche nach kosmischen Kollisionen fortsetzen.