Zu groß für die Modelle: Einige über ihre Gravitationswellen nachgewiesene Schwarzen Löcher sind massereicher als sie sein dürften. Jetzt schlagen US-Astrophysiker eine mögliche Erklärung dafür vor – die kosmische Expansion. Demnach könnte die Ausdehnung des Universums auch die Schwerkraft von Schwarzen Löchern beeinflussen und ihnen mehr Masse verleihen – ohne Vertilgen zusätzlicher Materie. Das könnte auch erklären, warum gerade ferne Schwarze Löcher so unerwartet massereich scheinen.
Gängiger Lehrmeinung nach gibt es eine Massenlücke bei stellaren Schwarzen Löchern: Wenn ein massereicher Stern in einer Supernova explodiert, können demnach Schwarze Löcher von maximal 65 Sonnenmassen entstehen. Ist ein Ausgangsstern dagegen schwerer als 200 Sonnenmassen, explodiert er nicht, sondern kollabiert direkt zum Schwarzen Loch – dieses hat mindestens 120 Sonnenmassen. Im Bereich von 65 bis 120 Sonnenmassen gibt es dadurch eine Lücke, in der es keine Schwarzen Löcher geben dürfte – Astrophysiker bezeichnen diese als Paarinstabilitätslücke.
Doch in den letzten Jahren haben die Gravitationswellen-Detektoren der Observatorien LIGO und Virgo schon mehrfach Schwarze Löcher beim Verschmelzen ertappt, deren Masse in dieser Lücke liegen. Diese stellaren Schwarzen Löcher wogen jeweils mehr als 80 Sonnenmassen – und sind damit eigentlich zu schwer für gängige Erklärungsmodelle.
Expansion des Alls bisher nicht berücksichtigt
Eine mögliche Erklärung dafür schlagen nun Kevin Croker von der University of Hawaii in Manoa und seine Kollegen vor. Denn wie sie aufzeigen, wurde bisher ein wichtiger Faktor bei der Betrachtung Schwarzer Löcher weitgehend ausgeblendet: die Expansion des Kosmos. Die Rotverschiebung ferner Lichtquellen und Entfernungsmessungen an Sternen und Galaxien legen nahe, dass sich der Kosmos mit ungefähr 70 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec ausdehnt – auch wenn die genaue Expansionsrate noch strittig ist.
Bei der Modellierung Schwarzer Löcher und ihrer Entwicklung wird dieser Faktor jedoch üblicherweise außer Acht gelassen. „Es vereinfacht die Modellierung und Einsteins Gleichungen, weil man in einem nicht wachsenden Universum weniger Faktoren berücksichtigen muss“, erklärt Croker. Doch bei Schwarzen Löchern, die weiter entfernt sind und deren von uns beobachtbare Daten daher der kosmischen Expansion unterliegen, könnte ihr Effekt durchaus zum Tragen kommen.
Kosmologische Kopplung
Wie die Astrophysiker erklären, legen bekannte Lösungen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie legen nahe, dass die kosmische Expansion unter bestimmten Bedingungen auch zu einem Massenzuwachs Schwarzer Löcher führen kann. Dabei sorgen Wechselwirkungen der sich ausdehnenden Raumzeit mit den Schwarzen Löchern dafür, dass diese an Masse und Schwerkraft gewinnen – ohne dass sie dafür zusätzliche Materie verschlingen müssen.
Dieser Effekt könnte dazu führen, dass Schwarze Löcher, die ursprünglich unterhalb der Massenlücke liegen, im Laufe längerer Zeiträume quasi in dieses „verbotene Gebiet“ hineinwachsen. Ob diese Hypothese mit den Beobachtungen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten übereinstimmt, haben Croker und sein Team nun mithilfe einer Computersimulation getestet. In dieser folgten sie der Entwicklung von Doppelsternen über deren Supernovae und die Bildung Schwarzer Löcher bis zur Verschmelzung.
Gute Übereinstimmung mit den Beobachtungen
Das Ergebnis: Bezogen sie die kosmische Expansion in ihre Modelle ein, stimmten die Resultate gut mit den LIGO-Beobachtungen überein. Die anfänglich noch „normalen“ Schwarzen Löcher entwickelten sich mit zunehmender Ausdehnung des Kosmos weiter und wuchsen quasi synchron mit dem gesamten Universum. Zum Zeitpunkt ihrer Verschmelzung lagen dadurch einige der stellaren Schwarzen Löcher in der Massenlücke.
„Ich war wirklich überrascht, dass es so gut funktionierte“, sagt Koautor Gregory Tarlé von der University of Michigan. „Denn die Idee ist ja eigentlich simpel.“ Und sie könnten sich in Zukunft sogar durch Beobachtungen nachweisen lassen, wie das Team erklärt. Denn diese kosmologische Kopplung müsste sich auch in der Rate zeigen, mit der die Umlaufbahnen zweier massereicher Objekte mit der Zeit enger werden. „Gravitationsobservatorien der nächsten Generation könnten diese Signatur direkt beobachten“, so Croker und seine Kollegen.
Erklärung auch für massereiche Quasare?
Interessant auch: Denkt man die kosmologische Kopplung von Schwarzen Löchern an die Raumzeit konsequent weiter, dann könnte dies möglicherweise auch erklären, wie einige frühe supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind. Wie die Forscher vorrechnen, folgt aus den Gleichungen, dass ein direkt nach dem Urknall entstandenes Schwarzes Loch seine Masse allein durch den Expansions-Effekt verdoppeln würde, bis wir es heute in 12,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung als Quasar beobachten.
Noch steht ein Beobachtungs-Nachweis dieser Kopplung allerdings aus, wie auch Croker und sein Team einräumen. Zudem betonen sie, dass sie für ihre Simulation bisher nur eines von mehreren denkbaren astrophysikalischen Modellen verwendet haben. „Es gibt daher noch einiges an Freiraum und auch wenn wir sehen, dass die kosmologische Kopplung möglich ist, können wir ihre Stärke bisher nicht bestimmen“, sagt Koautor Michael Zevin von der University of Chicago. (Astrophysical Journal Letters, 2021; doi: 10.3847/2041-8213/ac2fad)
Quelle: University of Hawaii at Manoa
