Wenn Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, bringen sie die Raumzeit zum Beben: Die Kollision setzt Gravitationswellen frei, die von Detektoren wie LIGO in den USA, Virgo in Italien und KAGRA in Japan aufgefangen werden können. Die Merkmale dieser Gravitationswellen-Ereignisse liefern wertvolle Informationen über die beteiligten Schwarzen Löcher, darunter ihre Masse, ihre Rotation und ihre Fläche.
Schwarze Löcher in der „verbotenen“ Zone
Doch einige dieser Kollisionen geben Astronomen Rätsel auf: In den letzten Jahren registrierten die Gravitationswellen-Detektoren immer wieder Verschmelzungen von ungewöhnlich schweren stellaren Schwarzen Löchern. Einige davon scheinen gängigen astronomischen Modellen zu widersprechen, weil sie in der „verbotenen“ Massenlücke von 65 bis 120 Sonnenmassen liegen.
Diese Lücke entsteht, weil die Supernovae massereicher Sterne nur Schwarze Löcher bis rund 65 Sonennmassen erzeugen können – so sagen es die astrophysikalischen Modelle voraus. Noch schwerere Vorgängersterne sind instabil und schleudern den Großteil ihrer Masse schon vor der Supernova aus. Dadurch bleibt das resultierende Schwarze Loch unter dieser Grenze. Erst bei Schwarzen Löchern ab 120 Sonnenmassen aufwärts greift ein anderer Mechanismus: Sie entstehen nicht durch eine Sternexplosion, sondern durch den direkten Kollaps ihres Vorgängersterns zum Schwarzen Loch.
Wenn zwei stellare Schwarze Löcher miteinander kollidieren und verschmelzen, setzen sie Gravitationswellen frei. Diese verraten einiges über ihre Entfernung und Masse. — © brightstars/ iStock
Eigentlich dürfte es daher keine stellaren Schwarzen Löcher geben, die mehr als 65 und weniger als 120 Sonnenmassen wiegen. Aber den Gravitationswellen-Messungen zufolge existieren sie dennoch.
Rekord-Ausreißer GW231123 gibt Rätsel auf
Einer dieser schwer erklärbaren Ausreißer ist das im November 2023 detektierte Gravitationswellen-Ereignis GW231123. Den Wellenmerkmalen zufolge verschmolzen dabei zwei Schwarze Löcher von 100 und 140 Sonnenmassen miteinander – echte Giganten ihrer Zunft. „Dies ist das massereichste Paar Schwarze Löcher, das wir je mit Gravitationswellen beobachtet haben“, sagte Mark Hannam von der Cardiff University im Jahr 2025. Der leichtere der beiden Kollisionspartner lag zudem genau in der Massenlücke.
Doch auch das bei dieser rund drei Milliarden Lichtjahre entfernten Verschmelzung gebildete Schwarze Loch überraschte: Es stellte mit geschätzten 232 Sonnenmassen ebenfalls einen neuen Massenrekord für solche Verschmelzungsprodukte auf. Dem Gravitationswellen-Signal nach müssten die Schwarzen Löcher zudem ungewöhnlich schnell rotieren. „Dieses Ereignis ist eine echte Herausforderung für unsere Vorstellungen von der Bildung Schwarzer Löcher“, erklärte Hannam.
Ist eine Gravitationslinse schuld?
Jetzt könnten Astronomen um Srashti Goyal vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam eine Lösung für dieses Rätsel gefunden haben. Hinter dem Ausnahme-Ereignis GW231123 stecken demnach nicht übergewichtige Schwarze Löcher oder neuartige astrophysikalische Phänomene, sondern ein Vordergrundeffekt: eine Gravitationslinse.
„Wie Licht können auch Gravitationswellen von massereichen Objekten abgelenkt, verstärkt und in mehrere Signale aufgespalten werden“, erklärt Goyals Kollege Miguel Zumalacárregui. Das schwere Objekt im Vordergrund krümmt dabei die Raumzeit und verändert dadurch Wellenlänge und -form der Gravitationswellen. Das kann die Informationen zu Entfernung und Massen bei einer Verschmelzung Schwarzer Löcher verfälschen. Allerdings sind die Effekte eines solchen Lensings schwer zu erkennen.
Ob dies bei GW231123 der Fall gewesen sein könnte, haben die Astronomen daher mithilfe eines neu entwickelten mathematischen Modells und einer Spezialsoftware ermittelt. „Bei Gravitationswellen eröffnen uns Beugungs- und Interferenzeffekte eine Möglichkeit, solche veränderten Signale zu identifizieren und zu untersuchen”, erklärt Zumalacárregui.
Subtile Indizien
Und tatsächlich: Die Astronomen entdeckten Indizien, die auf die Verzerrung der Signale durch eine starke Gravitationslinse hindeuten. Demnach könnte ein massereiches, aber kompaktes Objekt zwischen den verschmelzenden Schwarzen Löchern und der Erde die Gravitationswellen-Signale verfälscht haben. Den Berechnungen zufolge müsste diese Gravitationslinse bei GW231123 rund 180 bis 850 Sonnenmassen schwer gewesen sein.
“Wenn wir diese Gravitationslinseneffekte berücksichtigen, dann länge die Gesamtmasse des Ereignisses nur noch bei 100 bis 180 Sonnenmassen“, berichten Goyal und ihr Team. Hinzu kommt, dass die Entfernung zu den verschmelzenden Schwarzen Löchern ebenfalls durch die kosmische Expansion verfälscht wurde. Das Ereignis ereignete sich demnach deutlich weiter weg.
Korrigierte Massen und langsamere Rotation
Zusammengenommen bedeutet dies: Sollten sich diese Resultate bestätigen, dann würde dies einige Rätsel um das Ausreißer-Ereignis GW231123 lösen. Denn die beiden Schwarzen Löcher dieser Kollision wären dann beide weniger als 100 Sonnenmassen schwer, der kleinere Partner läge wahrscheinlich unter 50 Sonnenmassen, wie die Astronomen ermittelten. Zwar ist damit nicht ausgeschlossen, dass der schwere Partner noch immer in der „verbotenen Zone“ liegt, insgesamt passt das Ereignis aber besser ins Bild.
„Wenn wir davon ausgehen, dass GW231123 von einem kompakten Objekt oder von einer ausgedehnten Struktur wie einem Kugelsternhaufen abgelenkt und verzerrt wurde, können wir die beobachteten hohen Massen verstehen“, sagt Goyal. „Außerdem erfordert die Interpretation des Signals bei Einberechnung des Linseneffekts keine ungewöhnlich hohen Drehgeschwindigkeiten.“ Damit ließe sich diese Verschmelzung Schwarzer Löcher leichter in bekannte Szenarien einordnen.
Identität des Linsenobjekts noch rätselhaft
Allerdings: Welches Objekt für den Gravitationslinseneffekt gesorgt hat, ist noch offen. Denn dieses Vordergrundobjekt muss deutlich kleiner sein als eine Galaxie, aber dennoch massereich und kompakt. „Die Natur der Linse bleibt ein großes Rätsel, da einzelne kompakte Linsen mit 100 bis 1000 Sonnenmassen äußerst selten sein dürften”, erläutert Zumalacárregui. „Weitere Untersuchungen müssen klären, ob sich solche Linsen bilden können oder ob eine Ansammlung leichterer Objekte, darunter auch Sterne, dieses Ereignis erklären kann.“ Denkbar wäre beispielsweise, dass ein dichter Sternenhaufen den Linseneffekt erzeugt hat.
Noch ist nicht eindeutig bewiesen, dass die „Kollision der Giganten“ GW231123 tatsächlich durch eine Gravitationslinse verfälscht wurde. Die Signifikanz der aktuellen Analysen liegt bei 2,3 Standardabweichungen und damit unter der Schwelle für eine Entdeckung. Die Astronomen hoffen aber, dass die subtilen Signale solcher Linseneffekte durch künftige Optimierungen und Upgrades der Gravitationswellen-Detektoren besser und eindeutiger erkennbar werden.
Quelle: Srashti Goyal (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Potsdam) et al., The Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/ae93b1
