Wie Pac-Man - Schwarzes Loch schluckt Neutronenstern
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Wie Pac-ManSchwarzes Loch schluckt Neutronenstern

Forschende haben Gravitationswellen-Signale eingefangen, die davon zeugen, wie vor Urzeiten ein Neutronenstern in einem Schwarzen Loch verschwand.

von
Jean-Claude Gerber
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Die grafische Darstellung zeigt die Kollision eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns. Das hellblaue Objekt ist der Neutronenstern, die Regenbogenfarben repräsentieren Materie des Sterns, die vom Schwarzen Loch weggerissen wird.  Bei den nun beobachteten Ereignissen dürften die Neutronensterne allerdings zur Gänze von den Schwarzen Löchern verschluckt worden sein.

Die grafische Darstellung zeigt die Kollision eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns. Das hellblaue Objekt ist der Neutronenstern, die Regenbogenfarben repräsentieren Materie des Sterns, die vom Schwarzen Loch weggerissen wird. Bei den nun beobachteten Ereignissen dürften die Neutronensterne allerdings zur Gänze von den Schwarzen Löchern verschluckt worden sein.

Carl Know, OzGrav, Swinburne University
Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik feiert die Entdeckungen mit einer Art Filmplakat. Es zeigt ein Schwarzes Loch, das einen Neutronenstern verschluckt.

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik feiert die Entdeckungen mit einer Art Filmplakat. Es zeigt ein Schwarzes Loch, das einen Neutronenstern verschluckt.

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/A. S. Carvalho/A. Buonanno/ D. Mihaylov/ J. Steinhoff
Die Gravitationswellen wurden von den Ligo-Detektoren in den USA (im Bild: die Anlage in Livingston, Louisiana), …

Die Gravitationswellen wurden von den Ligo-Detektoren in den USA (im Bild: die Anlage in Livingston, Louisiana), …

Caltech/MIT/LIGO Lab

Darum gehts

  • Erstmals weisen Forschende die Kollision eines Schwarzen Loches und eines Neutronensternes nach.

  • Bei zwei Ereignissen verschluckten die Schwarzen Löcher die Neutronensterne zur Gänze – «wie Pac-Man».

  • Der Nachweis gelang, weil die Forschungsteams Gravitationswellen der Ereignisse registrieren konnten.

  • Die Ereignisse fanden in über 900 Millionen Lichtjahren Entfernung statt.

Im September 2015 war es erstmals so weit: Astronominnen und Astronomen konnten erstmals den direkten Nachweis von Gravitationswellen erbringen. Damit bestätigten die Forschenden eine 100 Jahre alte Vorhersage des Physikers Albert Einstein. Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die bei äusserst energiereichen Ereignissen im Universum entstehen – etwa durch zusammenstossende Schwarze Löcher. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit ungebremst durchs All aus.

Seither sind rund 50 der kosmischen Kollisionen mit den beiden Observatorien Ligo in den USA und Virgo in Italien registriert worden. Meist waren es zwei Schwarze Löcher, die miteinander verschmolzen, in wenigen Fällen zwei Neutronensterne, wie Scinexx.de berichtet.

Nun konnte erstmals der Nachweis einer Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch erbracht werden. Und zwar gleich doppelt. Im Januar 2020 zeichneten die Astronominnen und Astronomen zweimal hintereinander die Gravitationswellen einer solchen Kollision auf, wie sie im Fachblatt «The Astrophysical Journal Letters» schreiben.

Vor Urzeiten

«Innerhalb von nur zehn Tagen im Januar 2020 haben unsere Detektoren zwei brandneue Signale aufgefangen. Sie stammen von Schwarzen Löchern mit 8,9 und 5,7 Sonnenmassen, die mit zwei leichteren Objekten mit 1,9 bzw. 1,5 Sonnenmassen verschmolzen», sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Albert-Einstein-Institut Potsdam und Professorin an der Universität Maryland. Das wurde GW200105 getauft, das zweite GW200115.

Da die leichteren Objekte aufgrund ihrer zu geringen Masse (das 1,9- beziehungsweise 1,5-Fache der Masse unserer Sonne) keine Schwarzen Löcher sein können, ist für die Forschenden klar, dass es sich um Neutronensterne handeln muss. Das Ereignis GW200105 passierte vor rund 900 Millionen Jahren, das Ereignis GW200115 vor rund einer Milliarde Jahren.

Neutronensterne

Neutronensterne sind Himmelskörper, die wesentlich aus Neutronen, einem Bestandteil fast aller Atomkerne, bestehen. Neutronensterne sind mit Radien von etwa 10 bis 12 km sehr klein, aber extrem dicht. Sie rotieren sehr schnell und verfügen über ein starkes Magnetfeld.

Spurensuche im All

Die Forschenden konnten aufgrund der Gravitationswellen deren ungefähre Herkunft bestimmen. Sie engten die Position von GW20010 auf ein Himmelsgebiet ein, das etwa der Fläche von 34’000 Vollmonden entspricht, bei GW200115 konnte die Richtung zum Ursprung der Wellen sogar auf einen Teil des Himmels eingegrenzt werden, der der Fläche von 2900 Vollmonden entspricht.

Aufgrund dieser Eingrenzung suchten weitere Teams mit Teleskopen nach elektromagnetischen Signalen der Verschmelzung, konnten aber keine finden. Solche Strahlungsausbrüche begleiten Kollisionen von zwei Neutronensternen, nicht aber von zwei Schwarzen Löchern.

Dass sie ausblieben, kommt für die Forschenden nicht unerwartet. Einerseits, weil ein Schwarzes Loch einen Neutronenstern komplett schluckt, ohne dass Masse ausgestossen wird, die ein elektromagnetisches Signal erzeugen könnte. Andererseits, weil ein allfälliges Signal aufgrund der enormen Distanz von über 900 Millionen Lichtjahren sowieso nur extrem schwach wäre.

Mehr Pac-Man als Krümelmonster

«Das sind keine Ereignisse, bei denen die Schwarzen Löcher die Neutronensterne wie das Krümelmonster mampften und mit Stückchen um sich warfen. Das hätte Strahlung erzeugt und wir glauben nicht, dass dies in diesem Fall passiert ist», sagt Ligo-Sprecher Patrick Brady von der Universität Wisconsin-Milwaukee.

Co-Autorin Susan Scott vom Centre for Gravitational Astrophysics der Australischen Nationaluniversität (ANU) ergänzt: «Diese Kollisionen haben das Universum im Kern erschüttert und wir haben die Wellen aufgefangen, die sie durch den Kosmos geschleudert haben. Jede Kollision ist nicht einfach das Zusammentreffen von zwei massenreichen und dichten Objekten. Es ist eher wie bei Pac-Man, wobei das Schwarze Loch den Neutronenstern zur Gänze verschluckt hat.

«Da diese Ereignisse 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», schreibt das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut). Sie erwarten demnach, dass in Entfernungen von bis zu einer Milliarde Lichtjahren etwa eine solche Verschmelzung pro Monat stattfindet.

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