Wissenschaft

Aufgefressen: Schwarzes Loch verschluckt Neutronenstern

Wellen in der Raumzeit deuten wahrscheinlich auf die erste beobachtete Kollision dieser Art hin.Montag, 19. August 2019

Von Michael Greshko
In dieser künstlerischen Darstellung ist ein Schwarzes Loch gerade dabei, einen Neutronenstern zu verschlingen. Während der Neutronenstern das Schwarze Loch umkreist, wird er durch die gewaltigen Gravitationskräfte zerrissen. Die Trümmer bilden eine leuchtende Akkretionsscheibe um das massereichere Objekt. Dieser Vorgang wird als Tidal Disruption Event bezeichnet.

Vor etwa 900 Millionen Jahren verursachte ein Schwarzes Loch ein gewaltiges Beben, das durch den Kosmos ebbte. Am 14. August passierten die daraus resultierenden Wellen in der Raumzeit die Erde – und lieferten damit den bislang besten Beweis für eine nie zuvor beobachtete kosmische Kollision, die neue Einblicke in die Funktionsweise des Universums liefern könnte.

Das Signal, das mit der Bezeichnung S190814bv versehen wurde, entstand wahrscheinlich durch die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns – den enorm verdichteten Überresten eines explodierten Sterns. Obwohl Astronomen schon seit Langem vermuten, dass solche binären Systeme existieren, konnten sie bisher nie beobachtet werden.

Allerdings rechneten Astronomen auch damit, dass solche Systeme Gravitationswellen erzeugen würden, wenn das Schwarze Loch und der Neutronenstern kollidieren und verschmelzen sollten. Diese Wellen in der Raumzeit wurden vor mehr als einem Jahrhundert durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt.

Zum ersten Mal wurden Gravitationswellen im Jahr 2015 aufgezeichnet, als das LIGO- Observatorium ein Signal auffing, das durch die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern entstanden war. Seither haben LIGO und sein europäisches Gegenstück, das Virgo- Observatorium, weitere Verschmelzungen von Schwarzen Löchern sowie die Kollision von zwei Neutronensternen aufgezeichnet. Beide Observatorien fingen auch das Signal S190814bv auf. Wenn es sich dabei tatsächlich um die Verschmelzung eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs handeln sollte, wäre es bereits der dritte Kollisionstyp, der durch Gravitationswellen nachgewiesen wurde.

Die Sensoren fingen bereits am 26. April Signale auf, die auf eine solche Kollision hindeuten könnten. Den Forschern zufolge stellt S190814bv aber die deutlich heißere Spur dar. Bei Ereignissen wie jenem im April besteht eine Chance von 1:7, dass es sich dabei um Hintergrundsignale von der Erde handeln könnte. Statistisch gesehen kann es alle 20 Monate zu einem solchen falschen Alarm kommen. Bei S190814bv handelt es sich hingegen fast mit Sicherheit um ein Signal von jenseits unseres Planeten. Die Chancen dafür, dass es sich dabei um einen falschen Alarm handelt, sind verschwindend gering.

„Das ist durchaus Grund zur Aufregung“, sagt das LIGO- Teammitglied Christopher Berry, ein Physiker der Northwestern University. „Die Wahrscheinlichkeit ist viel höher, dass es sich um ein echtes Signal handelt. Daher lohnt es sich auch, da mehr Zeit und Mühe reinzustecken.”

Kosmische Zerreißprobe

LIGO und Virgo verfolgten das Signal bis zu seinem Ursprungsort zurück – einem ovalen Himmelsbereich, der etwa elfmal so breit wie der Vollmond ist. Auf der ganzen Welt und im Erdorbit haben Teleskope und andere Instrumente ihre regulär geplanten Observationen unterbrochen, um ihre künstlichen Augen auf diesen Himmelsbereich zu richten. Viele der Ergebnisse werden vorab in Echtzeit verfügbar gemacht.

„Das ist alles sehr aufregend“, sagt Aaron Tohuvavohu, der für den Beobachtungsdienst verantwortliche Wissenschaftler des NASA-Teleskops Swift. Das Teleskop suchte jenen Himmelsbereich, in dem der Ursprung der Gravitationswellen vermutet wird, nach Röntgenblitzen und Signalen im UV-Bereich ab. „Ich hab die ganze Nacht nicht geschlafen und ich freue mich sehr darüber, dass ich das hier tun kann.“

Galerie: Erstmals zeigen Bilder, wie Gravitationswellen entstehen

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Falls Swift und andere Teleskope das Nachglühen jener Kollision entdecken können, die LIGO und Virgo aufgezeichnet haben, wäre das für die Astronomie insgesamt ein bedeutender Meilenstein. Durch das Licht könnten Forscher erstmals auf das Innenleben eines Neutronensterns schließen und die Grenzen der Relativitätstheorie auf ganz neue Weise testen.

„Das wäre fantastisch und für einen Theoretiker fast schon wie ein Traum“, sagt das LIGO- Teammitglied Vicky Kalogera, eine Physikerin der Northwestern University.

Allerdings ist nicht garantiert, dass das Teleskop überhaupt etwas sehen wird. Aktuellen Theorien zufolge strahlen Kollisionen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern je nach ihrem Masseverhältnis nicht immer Licht aus.

Je ähnlicher die Massen der beiden Objekte sind, desto länger umkreisen sie einander, bis der Stern schließlich in der Todesspirale gefangen wird, die ihn unweigerlich auf Kollisionskurs mit dem Schwarzen Loch bringen wird. Je länger und enger sich die beiden Objekte umkreisen, desto mehr Gelegenheit hat das Schwarze Loch, den Neutronenstern durch die enormen Gravitationskräfte zu zerreißen. Bevor dieses leuchtende Konfetti schließlich in das Schwarze Loch stürzt, hat das Licht Gelegenheit, dem Strudel zu entkommen und in weiter Ferne eventuell von Teleskopen beobachtet zu werden.

Sollte das Schwarze Loch aber deutlich massereicher als der Neutronenstern sein, kann es den Stern ohne große Umschweife absorbieren, sodass dabei kein Licht entkommt. Kalogera zufolge durchkämmen Forscher aktuell noch die Daten aus dem Signal S190814bv, um die maximale Masse des Schwarzen Lochs zu bestimmen.

Eine Frage der Größe

Eine weitere Möglichkeit wäre, dass es sich bei dem kleineren Objekt der Kollision gar nicht um einen Neutronenstern handelt.

LIGO und Virgo klassifizieren die beobachteten Kollisionen anhand der geschätzten Massen der beteiligten Objekte. Alles, was unterhalb von drei Sonnenmassen liegt, wird als Neutronenstern eingestuft. Als Schwarzes Loch gilt hingegen jedes Objekt, das es auf mehr als fünf Sonnenmassen bringt. Im aktuellen Fall handelt es sich beim kleineren Objekt der S190814bv-Kollision um eines von weniger als drei Sonnenmassen.

Obwohl theoretisch auch weniger massereiche Schwarze Löcher existieren könnten, wurden bei Röntgenbeobachten des Kosmos bisher keine solchen Objekte entdeckt. Gleichzeitig besagen die derzeit besten Theorien zu Neutronensternen, dass diese kaum größer als zwei Sonnenmassen werden können, da sie sonst kollabieren und zu Schwarzen Löchern werden. Was aber, wenn diese Lücke zwischen drei und fünf Sonnenmassen einfach nur eine Lücke in unseren Beobachtungen repräsentiert und es sich beim kleineren Objekt in S190814bv um ein winziges Schwarzes Loch handelt?

„Im Grunde könnte uns dieses Ereignis einen Hinweis auf gleich zwei Mysterien geben“, sagt Berry. „Was ist die maximale Masse eines Neutronensterns und was ist die minimale Masse eines Schwarzen Lochs?“

Durch subtile Merkmale der Gravitationswellen könnten Wissenschaftler auf die Identität des kleineren Objekts in der jüngsten Kollision schließen. Falls Folgemessungen tatsächlich eine Art Nachglühen der Kollision entdecken – was Kalogera zufolge Wochen dauern könnte –, würde das im Grunde bestätigen, dass es sich bei dem kleineren Objekt um einen Neutronenstern handelt.

Was auch immer das Signal am Ende verraten mag, es wird in jedem Fall eine Premiere sein, so Berry. „Das ist eine Win-win-Situation.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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