Robert Klatt
Gravitationswellenobservatorien haben eine Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entdeckt, die mehrere Massenrekorde bricht. Die verschmolzenen Schwarzen Löcher lagen in der sogenannten „verbotenen Zone“ und dürften laut den Standardmodellen der Sternenentwicklung nicht existieren.
Birmingham (England). In den letzten zehn Jahren haben die Gravitationswellenobservatorien LIGO, Virgo und KAGRA etwa 300 Signale von Verschmelzungen zweier Schwarzer Löcher im Weltraum entdeckt, deren Kollisionspartner größtenteils durch Supernovae von massereichen Doppelsternsystemen entstanden sind. Astronomen des California Institute of Technology (Caltech) und der University of Birmingham haben kürzlich auf der 24th International Conference on General Relativity and Gravitation von einem neuen Rekordfall berichtet, den die beiden LIGO-Gravitationswellen-Detektoren am 23. November 2023 beobachtet haben.
Laut der Publikation auf dem Preprint-Server arXiv sind bei der Kollission GW231123 in über drei Milliarden Lichtjahren Entfernung zwei Schwarze Löcher miteinander verschmolzen, die 100 und 140 Sonnenmassen schwer waren.
„Dies ist das massereichste Paar Schwarze Löcher, das wir je mit Gravitationswellen beobachtet haben.“
Bei der Verschmelzung ist ein Schwarzes Loch mit rund 225 Sonnenmassen entstanden. Es handelt sich dabei um das massereichste Kollisionsprodukt, das die Astronomie jemals beobachtet hat. Der vorherige Rekordhalter GW190521 war mit 140 Sonnenmassen deutlich leichter.
Die Astrophysiker erklären, dass die beobachtete Kollision der Schwarzen Löcher überraschend ist, weil die beiden Objekte mit 100 und 140 Sonnenmassen in der sogenannten „verbotenen Zone“ der Sternentwicklung lagen. Die Standardmodelle der Sternenentwicklung gehen davon aus, dass bei normalen Kernkollaps-Supernovae Schwarze Löcher mit maximal 65 Sonnenmassen entstehen können.
„Dieses Ereignis ist eine echte Herausforderung für unsere Vorstellungen von der Bildung Schwarzer Löcher.“
Besonders schwere Sterne mit bis zu 300 Sonnenmassen zerfallen hingegen nicht durch Kernkollaps-Supernovae, sondern Paarinstabilitäts-Supernova direkt zu einem Schwarzen Loch, das mindestens 130 Sonnenmassen hat. Im Standardmodell existiert somit eine Massenlücke zwischen 65 und 130 Sonnenmassen, in der es keine stellaren Schwarzen Löcher geben dürfte.
„Schwarze Löcher dieser Masse sind in den Standardmodellen der Sternenentwicklung verboten.“
Bei der Kollission GW231123 hatten aber keine Kollisionspartner eine Masse, die in der „verbotenen Zone“ lag.
Beobachtungen der beiden Schwarzen Löcher zeigen, dass diese mit 80 bis 90 Prozent der theoretischen Maximalgeschwindigkeit rotiert haben. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die beiden Kollisionspartner nicht durch Supernova direkt aus Sternen entstanden sind, sondern durch eine vorherige Verschmelzung, die den zusätzlichen Spin ausgelöst hat.
„Sie bewegen sich nahe am Limit des von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erlaubten.“
Der 140 Sonnenmassen schwere Kollisionspartner hätte in diesem Szenario aber auch aus einer Verschmelzung entstehen müssen, bei der eines der zwei Schwarzen Löcher eine so hohe Masse gehabt haben müsste, dass es ebenfalls aus der „verbotenen Zone“ stammt.
„Es wird möglicherweise Jahre dauern, bis die Forschergemeinschaft das komplexe Signalmuster von GW231123 und alle seine Implikationen vollständig entschlüsselt hat. Denn auch wenn eine hierarchische Verschmelzung momentan die wahrscheinlichste Erklärung scheint, könnte auch komplexere Szenarien dahinterstecken. Es kann daher noch spannend werden.“
arXiv, doi: 10.48550/arXiv.2507.08219
