Astronomen haben das wahrscheinlich masseärmste Schwarze Loch entdeckt, das jemals gefunden wurde.
Wenn die größten Sterne im Universum sterben, explodieren sie in einer Supernova. Nach diesem explosiven Ereignis können sie einen von zwei Wegen einschlagen. Kleinere Supernovae hinterlassen Neutronensterne, die so dicht sind, dass sie typischerweise nur einen Durchmesser von etwa 20 km haben. Größere Supernovae kollabieren zu Schwarzen Löchern.
Das Problem, das Astronomen an diesem Prozess stört, ist, dass es zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern eine „Massenlücke“ zu geben scheint. Das heißt, die schwersten Neutronensterne wiegen nur die 2,5-fache Masse unserer Sonne, während die leichtesten Schwarzen Löcher 5 Sonnenmassen wiegen. Liegt etwas in dieser Lücke?
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Es stellt sich heraus, dass die Antwort ja ist. Am 14. August 2019 stellten Wissenschaftler des Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) und des Virgo-Interferometers eine Kollision zwischen zwei Objekten fest, von denen eines 23 Sonnenmassen und das andere 2,6 Sonnenmassen wog.
Als diese beiden Objekte in einem Ereignis namens GW190814 verschmolzen, warfen sie eine Explosion von Gravitationswellen aus, die die Raumzeit über 800 Millionen Lichtjahre dehnten und komprimierten, bis sie die Erde erreichten.
Mit 2,6 Sonnenmassen fällt das kleinere der beiden Objekte sauber in die Massenlücke. „Entdeckungen wie diese sind Rätsel und zwingen uns dazu, uns ein bisschen am Kopf zu kratzen“, sagt David Reitze, Geschäftsführer des LIGO-Labors. „Haben wir den massereichsten Neutronenstern oder das leichteste Schwarze Loch beobachtet?“
Als LIGO und Virgo GW190814 entdeckten, informierten sie sofort die astronomische Gemeinschaft, die weltraum- und bodengestützte Teleskope auf denselben Punkt am Himmel richtete. Keines dieser Teleskope entdeckte jedoch irgendein Licht, das von der Kollision herrührte:Es schienen nur Gravitationswellen zu sein, die ausgesendet wurden.
Dafür gibt es einige mögliche Erklärungen.
Erstens könnte es einfach sein, dass die Verschmelzung zu weit entfernt stattfand, als dass Lichtsignale leicht beobachtet werden könnten. Im Jahr 2017 entdeckten LIGO und Virgo eine Verschmelzung zwischen zwei Neutronensternen, bekannt als GW170817. Das Fermi-Teleskop der NASA beobachtete den damit verbundenen Gammastrahlenausbruch, was GW170817 zum ersten astronomischen Ereignis machte, das sowohl bei Gravitationswellen als auch bei Licht beobachtet wurde. Die Kollision im Jahr 2019 fand jedoch sechsmal weiter entfernt statt als GW170817.
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Alternativ könnte das kleinere Objekt ein Neutronenstern sein – allerdings müsste es größer sein, als es die aktuelle Theorie der Neutronensternentstehung zulässt. Wenn dem so ist, hält Prof. Vicky Kalogera, Co-Autorin der Veröffentlichung, es für möglich, dass der Neutronenstern ganz verschluckt wurde, ohne auseinandergerissen zu werden, da das andere Objekt bei der Kollision so viel größer war.
„Ich denke an Pac-Man, der einen kleinen Punkt frisst“, sagt Kalogera. „Wenn die Massen stark asymmetrisch sind, kann der kleinere Neutronenstern mit einem Biss gegessen werden.“ Das Ergebnis wäre eine Kollision, die überhaupt kein Licht abgibt, sondern nur Gravitationswellen.
Oder, wenn es eine Kollision zwischen zwei Schwarzen Löchern gewesen wäre, hätte dies höchstwahrscheinlich auch kein Licht abgegeben. Damit wäre das Objekt mit 2,5 Sonnenmassen das leichteste schwarze Loch, das jemals entdeckt wurde.
Was auch immer die Ursache sein mag, Pedro Marronetti, Programmdirektor für Gravitationsphysik bei der NSF, glaubt, dass es sich um eine „neuartige Erkenntnis“ handelt. „Die Massenlücke war jahrzehntelang ein interessantes Rätsel, und jetzt haben wir ein Objekt entdeckt, das genau hineinpasst“, sagt er. „Das kann nicht erklärt werden, ohne unser Verständnis von extrem dichter Materie oder das, was wir über die Entwicklung von Sternen wissen, infrage zu stellen.“