Durchbruch in der Astrophysik: Schwarzes Loch verschluckt Neutronenstern

Ein internationales Team von Forschenden hat zum ersten Mal ein Schwarzes Loch dabei beobachtet, wie es einen Neutronenstern „verschluckt“. Die Wissenschaftler:innen hatten mit den LIGO- und Virgo-Detektoren Gravitationswellensignale empfangen, eins davon gilt ihnen als erster sicherer Nachweis einer Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. 

Innerhalb von zehn Tagen wurden im Januar 2020 kurz hintereinander zwei kosmische Katastrophen beobachtet: Zwei Schwarze Löcher verschlangen unabhängig voneinander einen Neutronenstern - und zwar jeweils komplett. Die dabei ausgesandten Gravitationswellen gingen den beiden Detektoren LIGO und Virgo ins Netz. 

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Wie die Forschenden in einem Beitrag in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters vom 29. Juni berichten, sind diese Gravitationswellen aus Entfernungen von mehr als 900 Millionen Lichtjahren zu uns gelangt. Die Signale von zwei ähnlichen Ereignissen würden Hinweise darauf geben, dass Schwarze Löcher Neutronensterne komplett verschlucken können. "Auch wenn sich von beiden Ereignissen kein Licht nachweisen ließ, waren die Gravitationswellen klar und deutlich", hieß es dazu vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI). 

Albert Einstein Institut Potsdam beteiligt

Die gemessen Gravitationswellen erlauben den Wissenschaftler:innen erste Rückschlüsse auf die Entstehung dieser seltenen Doppelsysteme und darauf wie oft sie verschmelzen. Forschende am AEI in Potsdam und Hannover sowie an der Leibniz Universität Hannover haben zu den Entdeckungen und ihrer Analyse federführend beigetragen.

© Andreas Klaer

"Innerhalb von nur zehn Tagen im Januar 2020 haben unsere Detektoren zwei brandneue Signale aufgefangen. Sie stammen von Schwarzen Löchern mit neun und sechs Sonnenmassen, die mit zwei leichteren Objekten mit 1,9 bzw. 1,5 Sonnenmassen verschmolzen", erklärte Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI Potsdam und Professorin an der University of Maryland.

GW200115, wie die Forschenden eine der Gravitationswellen benannt haben, sei der erste sichere Nachweis der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. "Diese interessante neue Quelle von Gravitationswellen vervollständigt unsere Sammlung verschmelzender kompakter Objekte", so Buonanno. 

Ein Schwarzes Loch mit sechs Sonnenmassen

Das erste Signal war nur von einem Detektor aufgefangen worden. Das zweite Ereignis, GW200115, das zehn Tage später entdeckt wurde, hatten alle drei großen Detektoren empfangen, die beiden LIGO-Detektoren und Virgo. Die Forschenden gehen davon aus, dass GW200115 von der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit sechs Sonnenmassen mit einem Neutronenstern mit 1,5-facher Masse unserer Sonne stammt. Die Verschmelzung habe rund eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt stattgefunden. 

Mit den Beobachtungsdaten der drei weit von einander entfernten irdischen Detektoren lasse sich die Richtung zum Ursprung der Wellen auf einen Teil des Himmels eingrenzen, der der Fläche von 2.900 Vollmonden entspricht, berichteten die AEI-Forschenden.

Auf Grundlage der Beobachtung der Ereignisse wollen die Forschenden nun abschätzen, wie oft solche Ereignisse im Universum stattfinden. Sie erwarten, dass in Entfernungen von bis zu einer Milliarde Lichtjahren etwa eine solche Verschmelzung pro Monat stattfindet. Nicht alle dieser Ereignisse würden sich allerdings mit den derzeitigen Detektoren nachweisen lassen.

Potsdamer Forschende an erster Wellen-Messung beteiligt

Der erste Nachweis von Gravitationswellen vor fünf Jahren war eine wissenschaftliche Sensation - mittlerweile sind schon 50 derartige Ereignisse beobachtet worden. Darunter waren Verschmelzungen von Schwarzen Löchern mit unterschiedlicher Masse sowie in zwei Fällen Neutronensterne, wie AEI-Direktorin Alessandra Buonanno erklärt. 

Die beobachteten Ereignisse haben nach Ansicht der Forschenden belegt, dass Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie weiterhin gilt. „Einstein hatte Recht“, sagte Buonanno. 

Die Astrophysikerin entwickelt theoretische Modelle und Simulationen, die helfen, die Signale der Gravitationswellen zu identifizieren. 2018 erhielt sie den renommierten Leibniz-Preis.