Kosmischer Pac-Man: Astronomen haben die ersten eindeutigen Gravitationswellen-Signale von der Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch eingefangen. Die Observatorien LIGO und Virgo detektierten im Januar 2020 gleich zwei dieser Ereignisse. Das Schwarze Loch verschluckte den kleineren Neutronenstern dabei wahrscheinlich im Ganzen und ohne begleitenden Strahlungsausbruch. Der Nachweis solcher gemischten Kollisionen eröffnet die Chance, mehr über Entstehung, Entwicklung und Ende dieser ungleichen Paare zu erfahren.
Seit dem ersten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2016 haben Astronomen mehr als 50 kosmische Kollisionen mit den Detektoren LIGO und Virgo registriert. Meist verschmolzen dabei zwei stellare Schwarze Löcher, in einigen wenigen Fällen waren es zwei Neutronensterne. Auch Verschmelzungen zweier Partner mit extrem ungleichen Massen waren schon dabei.
Was aber bisher fehlte, war der eindeutige Nachweis eines gemischten Duos – der Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch. Zwar gab es im April 2019 einen möglichen Kandidaten, die Datenlage war aber zu dünn für einen eindeutigen Nachweis. Ein weiteres Ereignis im Juni 2020 gibt Rätsel auf, denn der zweite Partner war zu leicht für ein Schwarzes Loch, aber etwas zu schwer für einen Neutronenstern.
Zwei gemischte Kollisionen hintereinander
Jetzt haben Astronomen erstmals eindeutige Signale der Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch eingefangen. Im Januar 2020 registrierten die LIGO-Detektoren in den USA und der Virgo-Detektor in Italien gleich zweimal hintereinander Gravitationswellen eines solchen gemischten Duos. „Die Gravitationswellen allein verraten uns zwar noch nicht die Struktur des leichteren Objekts, aber wir können seine maximale Masse bestimmen“, erklärt Bhooshan Gadre vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.
Aus diesen Analysen geht hervor, dass der kleinere Partner beider Kollisionen kein Schwarzes Loch sein kann, sondern aufgrund seiner geringen Masse ein Neutronenstern sein muss. Beim Ereignis GW200105 vom 5. Januar 2020 kollidierten demnach ein Schwarzes Loch von 8,9 Sonnenmassen und ein Neutronenstern mit 1,9 Sonnenmassen miteinander. Die Energie dieser Kollision setzte Gravitationswellen frei, die rund 900 Millionen Jahre später die Erde erreicht haben.
Das zweite Ereignis wurde am 15. Januar registriert. GW200115 wurde von einem Schwarzen Loch mit 5,7 Sonnenmassen und einem Neutronenstern mit 1,5 Sonnenmassen ausgelöst, die in rund einer Milliarde Lichtjahren Entfernung kollidierten.
Gibt es begleitende Strahlung?
Weil die Gravitationswellen dieser zweiten Kollision bei beiden LIGO-Detektoren und dem Virgo-Detektor in guter Qualität ankamen, konnten die Astronomen den möglichen Ort des Geschehens zumindest grob ermitteln. Durch Triangulation engten sie seine Position auf ein Himmelsgebiet ein, das der Größe von rund 3.000 Vollmonden entspricht.
Diese grobe Positionsbestimmung ermöglichte es weiteren Teams, mithilfe von Teleskopen nach elektromagnetischen Begleiterscheinungen der Kollision zu suchen. Solche Strahlungsausbrüche fehlen bei der Kollision zweier Schwarzer Löcher meist, wurden nach der Verschmelzung von Neutronensternen aber detektiert. Ob sie bei einer gemischten Kollision auch freiwerden, ist jedoch unklar. Zumindest bei GW200115 sind die Astronomen nicht fündig geworden.
Im Ganzen geschluckt – wie Pac-Man
Der mögliche Grund: Der Neutronenstern wurde wahrscheinlich als Ganzes vom Schwarzen Loch verschluckt – ohne dass strahlende Trümmer übrigblieben. „Dies waren keine Ereignisse, bei denen die Schwarzen Löcher die Neutronensterne erst anknabbern und wie das Krümelmonster mit Resten um sich werfen“, erklärt LIGO-Sprecher Patrick Brady von University of Wisconsin-Milwaukee. „Dieses Ausschleudern würde Strahlung erzeugen, aber wir denken nicht, dass das in diesen Fällen passiert ist.“
„Bei diesen Kollisionen kommen nicht einfach nur zwei massereiche und dichte Objekte zusammen und verschmelzen. Es ist eher wie bei Pac-Man: Das Schwarze Loch verschlingt seinen Neutronenstern-Partner ganz“, ergänzt Koautorin Susan Scott von der Australian National University. „Das sind wirklich bemerkenswerte Ereignisse und wir haben lange darauf gewartet, ihre Zeugen zu werden.“
Viele Fragen offen
Die Ereignisse GW200105 und GW200115 belegen, nun eindeutig, dass es diese ungleichen Kollisionen im Kosmos gibt – und dass sie sich mittels Gravitationswellen nachweisen lassen. Gleichzeitig aber eröffnen diese Kollisionen den Astronomomen neue Chancen, die Entstehung, Entwicklung und das Ende solcher gemischten Paare näher zu erforschen. „Es gibt noch so vieles, das wir nicht über Neutronensterne und Schwarze Löcher wissen – wie klein oder groß sie werden können, wie schnell sie rotieren, wie sie sich zu Paaren zusammenfinden“, erklärt Maya Fishbach von der Northwestern University in Evanston.
Zurzeit optimieren die LIGO- und Virgo-Teams ihre Detektoren, um beim nächsten Beobachtungsdurchgang im Jahr 2022 eine noch höhere Sensitivität zu erreichen. Als dritter im Bunde ist seit 2020 zudem der japanische Detektor KAGRA in Betrieb. (The Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/c082e)
Quelle: University of Wisconsin – Milwaukee, Northwestern University, CNRS, Australian National University
