Das Sonder-Paar

Bislang wurden nur wenige Gravitationswellen von Kollisionen leichter Körper nachgewiesen. GW170817 und GW190425 stammten von jeweils zwei Neutronensternen, GW200105 und GW200115 von je einem Schwarzen Loch mit je einem Neutronenstern. Bei GW190814, registriert sowohl von LIGO als auch von Virgo, war die leichtere Komponente entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch (2,5 bis 2,7 Sonnenmassen). Das liegt verdächtig nahe bei oder in der Massenlücke. Doch das mit GW230529 entdeckte Objekt ist das erste, dessen Masse ziemlich eindeutig und unbestreitbar in die Lücke fällt.

Wettstreit der Hypothesen

Denkbar ist, dass es sich bei dem Objekt um einen extrem massereichen Neutronenstern handelt. Das passt allerdings schlecht zum etablierten theoretischen Verständnis dieser kompakten, nur etwa 20 bis 30 Kilometer großen Sternleichen. Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie und aus Sternentwicklungsmodellen folgt, dass Neutronensterne leichter sind als ungefähr drei Sonnenmassen. Der genaue Maximalwert ist jedoch unbekannt.

Wahrscheinlicher ist, dass die schwerere Komponente von GW230529 ein Schwarzes Loch war, das den benachbarten Neutronenstern zerriss und verschlang. Allerdings war es zu leicht, um mit den gängigen Modellen von Kernkollaps-Supernovae erklärt zu werden.

Eine Hypothese lautet, dass aus dem ausgebrannten, in sich zusammenstürzenden Kern des einstigen Riesensterns zunächst ein gewöhnlicher Neutronenstern entstand. Üblicherweise heizen die dabei massenhaft emittierten Neutrinos die nachfallenden, äußeren Schichten des Sterns so extrem auf, dass diese ins All katapultiert werden – eine typische Supernova. Doch vielleicht explodierte der Stern anders als üblich, sodass ein beträchtlicher Teil der fortgesprengten Materie zurückstürzte und den Neutronenstern derart beschwerte, dass er zu einem leichten Schwarzen Loch kollabierte. Computersimulationen legen nahe, dass auf diese Weise im Prinzip 3 bis 6 Sonnenmassen schwere Schwarze Löcher entstehen können. Ob das in der Natur wirklich geschieht, ist jedoch nicht erwiesen.

Alternative Erklärungen muten allerdings noch unwahrscheinlicher an. So könnte das Schwarze Loch bereits früher durch die Kollision zweier Neutronensterne entstanden sein, bevor es mit dem dann dritten zum GW230529-Ereignis verschmolz. In diesem Fall wäre das System ursprünglich ein enger Drei- oder sogar Vierfachstern gewesen. Solche stellaren Mehrlinge kommen im All durchaus vor. Sie sind aber selten. Zudem hätten hier die Supernovae das System nicht zerstreuen dürfen.

Möglich ist auch, dass GW230529 in einem jungen Sternhaufen entstand, wo sich Neutronensterne und Schwarze Löcher tummeln und wechselseitig einzufangen vermögen. Dies könnte auch innerhalb einer großen Akkretionsscheibe um ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie geschehen sein. Vielleicht war das Schwarze Loch ursprünglich sogar ein Neutronenstern, der sich so viel Materie aus der Scheibe einverleibt hatte, dass er daraufhin zum Schwarzen Loch kollabierte.

Nicht ausschließen lässt sich, dass das leichte Schwarze Loch ein primordiales war, das sich bereits in den ersten Sekunden nach dem Urknall aus einer gewaltigen Dichteschwankung der Urmaterie gebildet hatte. Dies wäre die spektakulärste, aber auch spekulativste Erklärung. Denn ob solche Extrembedingungen in der Anfangszeit unseres Universums herrschten, ist unklar.

Aussicht für Sichtungen

Wie häufig Ereignisse wie GW230529 sind, lässt sich bereits grob abschätzen. Es wären jährlich 39 im Volumen von einem Kubikgigaparsec (3,47 · 10²⁸ Lichtjahre³ ), wenn nur die Messung von GW230529 zugrunde gelegt wird. Rechnet man die anderen mutmaßlichen Kollisionen von Schwarzen Löchern mit Neutronensternen ein, die im dritten Beobachtungslauf O3 detektiert wurden, läge die Rate eher bei 61, in einer anderen Hochrechnung mit zusätzlichen, weniger signifikanten Kandidaten sogar bei 95 pro Jahr. Somit besteht eine gute Chance, künftig ähnliche Signale zu finden.

Ein Glücksfall wäre es, wenn Astronomen dabei auch Strahlung entdecken könnten. „Falls das Schwarze Loch deutlich schwerer als der Neutronenstern ist, bleibt nach der Verschmelzung keine Materie außerhalb des Schwarzen Lochs zurück, und es wird keine elektromagnetische Strahlung ausgesandt“, sagt Tim Dietrich vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und der Universität Potsdam. „Leichtere Schwarze Löcher dagegen können den Neutronenstern mit ihren stärkeren Gezeitenkräften zerreißen und dabei Materie herausschleudern, die vielleicht als Kilonova oder Gammastrahlenblitz aufleuchtet.“

Institutsdirektorin Alessandra Buonanno stimmt zu und ergänzt: „Dies sind sehr aufregende Zeiten. Wir stoßen in Bereiche vor, die unser theoretisches Verständnis astrophysikalischer Phänomene, die durch die Gravitation bestimmt werden, verändern dürften.“ ■