Schwarze Löcher erschüttern das All

Im Oktober 2019 erfolgte eine einmonatige Wartungspause. „Die haben wir genutzt, um die Detektoren aufzurüsten und zu verbessern. Dazu reinigten wir die Endspiegel bei LIGO Livingston, tauschten Vakuumtechnik bei LIGO Hanford aus und erhöhten die Laserleistung bei Virgo“, erinnert sich Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover. „Anschließend haben wir tiefer ins Universum gelauscht als je zuvor.“

O3b begann am 1. November 2019 und endete am 27. März 2020. 51,0 Prozent dieser Zeit konnten alle drei Detektoren betrieben werden, 34,3 Prozent immerhin zwei. In diesem Zeitraum wurden 39 Kandidaten gemessen, bei denen es fast gleichzeitige Computerauswertungen ermöglichten, rasch Astronomen zu alarmieren, um nach elektromagnetischen Gegenstücken zu suchen – besonders nach Gammablitzen. Doch kein einziges Aufleuchten wurde entdeckt. Immerhin haben die weiteren monatelangen Auswertungen 18 der 39 Kandidaten als wahrscheinlich echt bestätigt. Außerdem konnten bei den nachfolgenden O3b-Datenanalysen 17 zusätzliche Raumzeit-Erschütterungen identifiziert werden. Somit detektierte O3b insgesamt 35 deutliche Signale.

GWTC-3, die im November 2021 veröffentlichte jüngste Version des Gravitationswellen-Katalogs, enthält nunmehr 90 statistisch signifikante Einträge (von denen allerdings noch immer zehn Prozent Truggebilde sein könnten). Die meisten gehen auf die Kollision von Schwarzen Löchern zurück. 79 der Einträge stammen aus der Observationsperiode O3. Das ist ein deutliches Indiz dafür, dass sich die gesteigerte – teilweise mehr als verdoppelte – Empfindlichkeit von LIGO und Virgo in Form neuer Erkenntnisse bezahlt macht. Über 2000 weitere O3-Kandidaten bestanden die statistischen Tests nicht und sind überwiegend auf Zufallsrauschen oder irdische Störquellen zurückzuführen.

„Wir haben nun einen besseren Zensus der Objekte im Universum – und so viele Ereignisse gemessen, dass wir die subtilen Eigenschaften der Population zu verstehen beginnen“, freut sich Richard O’Shaughnessy vom Rochester Institute of Technology in Henrietta im US-Bundesstaat New York. Das erlaubt nicht nur eine bessere Charakterisierung der Quellen, sondern auch Rückschlüsse auf ihre mutmaßliche Entstehung und kosmologische Einordnung.

Fernste Kurznachrichten

Am extremen Ende des zugänglichen Massenspektrums hat O3 bebendes Neuland erschlossen. So berichtete das LIGO-Virgo-Team im September 2020 von einem besonders fetten Fang: GW190521.

„Von Anfang an stellte uns dieses gerade einmal eine Zehntelsekunde lange Signal vor Herausforderungen“, sagt AEI-Direktorin Alessandra Buonanno, die auch Professorin an der University of Maryland ist. „Uns wurde klar, dass wir erstmals Zeuge der Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs waren, dessen einer Elternteil höchstwahrscheinlich selbst aus einer früheren Verschmelzung eines Doppelsystems hervorgegangen ist.“

GW190521 umfasste im Frequenzband der Detektoren bloß vier Gravitationswellenzyklen – entsprechend zweier gegenseitiger Umläufe der Schwarzen Löcher. Dabei stieg die Frequenz von 30 auf 80 Hertz, bevor das Signal mit der Verschmelzung aufhörte. Die beiden Gravitationsgiganten hatten eine Masse vom 85- und 66-Fachen der Sonne. Daraus entstand ein Schwarzes Loch mit 142 Sonnenmassen. Entsprechend der bereits 1905 von Albert Einstein entdeckten Masse-Energie-Äquivalenz wurden acht Sonnenmassen in Energie transformiert, die in Form von Gravitationswellen den Weltraum zum Zittern brachte. Weil das Signal ursprünglich extrem stark war, konnten es die irdischen Detektoren noch über eine riesige Distanz von rund 16 Milliarden Lichtjahren nachweisen (Rotverschiebung z = 0,7). Bei seiner Entdeckung war GW190521 die bislang fernste bekannte Gravitationswellen-Quelle.

Später wurden bei Datenanalysen noch weiter entfernte Signale aufgespürt: Die mutmaßlichen Rekordhalter sind jetzt GW200220 und GW190403 mit Distanzen von 20 und 26 Milliarden Lichtjahren (mit z-Werten von 0,9 und 1,14). Sie stammen aus einer Zeit, als das Universum nicht einmal halb so alt war wie heute.

Die neue Mittelklasse

GW190521 bot noch einen zweiten Rekord: Das Kollisionsprodukt ist schwerer als alle zuvor von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher – und zugleich die erste direkte Beobachtung der Entstehung eines intermediären oder mittelschweren Schwarzen Lochs. Diese Klasse Schwarzer Löcher war zuvor nur indirekt beobachtet worden – aufgrund akkretierter heißer Gasmassen oder ihres Schwerkrafteinflusses auf Nachbarsterne – und besitzt Massen im Bereich vom 100- bis 1.000.000-Fachen unserer Sonne. Diese Mittelgewichte sind also massereicher als die leichteren stellaren Schwarzen Löcher und weniger massereich als die superschweren Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien.

Die neue Entdeckung stellt die Wissenschaftler aber auch vor Probleme: „Nach unserem Verständnis davon, wie Sterne altern und sich entwickeln, haben wir erwartet, Schwarze Löcher mit entweder weniger als 65 Sonnenmassen oder mit mehr als 120 Sonnenmassen zu finden, aber keine dazwischen“, sagt Frank Ohme, Leiter einer Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. „Das Schwarze Loch mit 85 Sonnenmassen im Ursprungssystem von GW190521 fällt genau in diese Lücke. Das kann zweierlei bedeuten: Entweder ist unser Verständnis der Sternentwicklung unvollständig, oder es hat sich hier etwas anderes ereignet.“

Bislang gingen die Astronomen davon aus, dass Riesensterne in einem bestimmten Massebereich, die nur sehr wenige Elemente schwerer als Helium in sich haben, völlig zerrissen werden, ohne einen kompakten Rest zu bilden. Denn in ihrem Zentrum entstehen Gammastrahlen derart hoher Energie, dass diese Photonen sich in Elektron-Positron-Paare umwandeln können. Diese Teilchen führen Energie ab, sodass sich der Stern zusammenzieht, noch heißer wird und weitere Kernfusionsreaktionen starten, die schlagartig so viel Energie erzeugen, dass der Himmelskörper detoniert.

Andere Riesensterne wiederum durchlaufen eine oder mehrere kurze instabile Episoden, in denen sie jeweils einen signifikanten Anteil ihrer Masse abstoßen, statt vollständig zu explodieren. Am Ende dieses turbulenten Prozesses bleibt ein geschrumpfter Stern übrig, der als Supernova detoniert und ein Schwarzes Loch mit weniger als 65 Sonnenmassen erzeugt.

Noch massereichere Sterne hingegen kollabieren direkt, ohne ihre äußeren Hüllen als Supernova ins All zu sprengen, und hinterlassen Schwarze Löcher mit über 120 Sonnenmassen.

Aufgrund dieser unterschiedlichen Vorgänge sollte es also eine Lücke im Massenspektrum Schwarzer Löcher zwischen etwa 65 und 120 Sonnenmassen geben, in der keine solchen Sternrelikte existieren.

Falls die Sternentwicklungsmodelle korrekt sind, muss das 85 Sonnenmassen schwere Loch anders entstanden sein. Das LIGO-Virgo-Team hält eine frühere Verschmelzung von zwei kleineren Schwarzen Löchern oder von zwei massereichen Sternen für die plausibelste Erklärung. Zwar sind stellare und intermediäre Schwarze Löcher konzeptuell verschieden, weil sie eine andere Entstehungsgeschichte haben. Doch in der Natur sollte es keine eklatante Kluft in der Massenverteilung geben, weil stellare Schwarze Löcher nach ihrer Bildung mit der Zeit noch beliebig viel zusätzliche Materie verschlucken können.

Freilich sind auch andere Szenarien vorstellbar. Das LIGO-Virgo-Team hat mehrere davon diskutiert:

Doch das LIGO-Virgo-Team hält jede dieser Erklärungen für wesentlich unwahrscheinlicher als ein früheres Kollisionsereignis. „Wir wissen noch nicht, ob GW190521, diese erste Beobachtung eines mittelschweren Schwarzen Lochs, der Vertreter einer völlig neuen Klasse von Doppelsystemen Schwarzer Löcher ist oder nur das massereiche Ende des Spektrums, das wir bisher gesehen haben“, resümiert AEI-Direktor Karsten Danzmann. Der Pionier der Gravitationswellen-Forschung ist aber zuversichtlich: Mit der Messung weiterer Kollisionsereignisse wird sich wohl schon in wenigen Jahren Licht der Erkenntnis in das Dunkel der finsteren Ereignisse bringen lassen.

Daten zu Raten

Die größere Datenbasis von GWTC-3 erlaubt es schon jetzt, recht umfassende und robuste Schlussfolgerungen zu ziehen. So haben die LIGO-Virgo-Teams jüngst eine Analyse der 76 besten Messungen publiziert, mit einer Fehlalarmrate von einem Ereignis pro Jahr. Somit dürften statistisch gesehen 75 der 76 Ereignisse höchstwahrscheinlich real gewesen sein.

Das ermöglicht es, die Kollisionsrate der kompakten Objekte – und somit die Häufigkeit der entsprechenden Raumzeit-Beben – genauer abzuschätzen als früher, obwohl die Unsicherheiten noch immer groß sind. Diese Raten geben die Forscher als Zahl der Ereignisse pro Kubikgigaparsec und Jahr an (ein Gigaparsec sind 3,26 Milliarden Lichtjahre). Für Neutronenstern-Kollisionen beträgt die Rate 10 bis 1700, für Verschmelzungen von Schwarzen Löchern mit Neutronensternen 8 bis 140 und für binäre Schwarze Löcher 18 bis 44. Letztere kollidieren also am seltensten, doch sind ihre Gesamtmassen am größten, sodass sie sich einfacher und aus weiteren Distanzen messen lassen. Mit der Entfernung – und folglich mit der Rotverschiebung z – nimmt die Kollisionsrate binärer Schwarzer Löcher jedoch zu: etwa um den Faktor (z+1)3. Das hat sich bereits deutlich gezeigt. Es passt gut zur Tatsache, dass die Sternbildungsrate – und damit auch die Entstehungshäufigkeit von stellaren Schwarzen Löchern – im frühen Universum signifikant größer war.

Die Massenverteilung der Schwarzen Löcher gehorcht keiner einfachen Gesetzmäßigkeit. Es waren überdurchschnittlich viele mit Werten um 10 und 35 Sonnenmassen. Das könnte eine Folge ihrer Ursprungsregionen oder der Sternphysik im Allgemeinen sein, doch darüber lässt sich bislang nur spekulieren. Die astrophysikalischen Schlussfolgerungen sind noch nicht eindeutig und erfordern mehr Daten.

Partnervermittlung oder Start im Duo?

Nach wie vor wird kontrovers diskutiert, wie sich die dunklen Doppelsysteme gebildet haben. Populär ist die Hypothese einer getrennten Entstehung mit nachfolgender Partnervermittlung durch einen gravitativen wechselseitigen Einfang in Kugelsternhaufen, in jungen Sternhaufen oder in Galaxienzentren bei supermassereichen Schwarzen Löchern. Dagegen spricht, dass viele der von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher relativ leicht sind: in der Mehrzahl unter zehn Sonnenmassen. Sie werden bei Supernovae eher aus den Haufen geschleudert beziehungsweise finden sich aufgrund ihrer geringeren Gravitation auch seltener als Paar zusammen. Die wichtigste Konkurrenz-Hypothese postuliert eine gemeinsame Bildung der Schwarzen Löcher in isolierten Doppelsternsystemen. Sie ist inzwischen plausibler geworden, weil hier bevorzugt aus 20 bis 30 Sonnenmassen schweren Partnersonnen 8 bis 10 Sonnenmassen schwere Schwarze Löcher entspringen, wie sie jüngst häufiger gemessen wurden. Aber auch ein komplett anderer Ursprung bereits kurz nach dem Urknall ist weiterhin im Bereich des Möglichen: primordiale Schwarze Löcher mit späterer Zusammenkunft.

Wahrscheinlich beschreitet die Natur mehrere Wege. Welcher am meisten frequentiert ist, lässt sich noch nicht sagen. Das wird sich erst zeigen, wenn es genügend gute Spin-Messungen gibt. Die bisherigen Daten sind sehr ungenau und zur Beantwortung solcher Fragen unzureichend.

Auf die Rotation der Primärkomponente konnte erstmals bei GW151226 geschlossen werden. Auch bei GW191204 rotierte mindestens eines der beiden 12 und 8 Sonnenmassen schweren Schwarzen Löcher, und zwar in derselben Richtung wie die Umlaufrichtung der Himmelskörper. Diese Gleichsinnigkeit scheint häufiger vorzukommen als eine Umdrehung entgegen der Bahnrichtung und ist ein Argument für eine gemeinsame Entstehung in isolierten Doppelsystemen. Doch ein negativer Spin wurde ebenfalls schon gemessen, etwa bei GW19110 – entstanden aus der Kollision zweier 65 und 47 Sonnenmassen schweren Objekten, die zu einem Monstrum mit 107 Sonnenmassen fusionierten.

Quartett für die vierte Runde

LIGO und Virgo werden gegenwärtig für die vierte Beobachtungskampagne vorbereitet. Wenn alles nach Plan läuft, wird O4 Ende 2022 beginnen – mit noch größeren Empfindlichkeiten. Die Forscher hoffen, die Detektionsreichweite um 15 bis 40 Prozent zu vergrößern und Gravitationswellen dann dreimal so oft wie in O3 zu messen: durchschnittlich bis zu fünf Signale pro Woche.

Aufgrund der zu erwartenden raschen Zunahme von Signalen gehen die Wissenschaftler nun dazu über, neben dem Datum auch die Uhrzeit der Messung im Namen der Quelle aufzunehmen. So wurde GW200208_222617 am 8. Februar 2020 detektiert, wobei die letzten sechs Ziffern 22:26:17 Uhr Weltzeit bedeuten.

Auch das KAGRA-Observatorium (Kamioka Gravitational Wave Detector) in der japanischen Präfektur Gifu soll sich an O4 beteiligen. Es wurde 2019 in Betrieb genommen und hat im Februar 2020 erstmals zusammen mit LIGO und Virgo am Ende von O3b beobachtet. Im April 2020 folgte eine zweiwöchige Messkampagne zusammen mit dem kleinen deutsch-britischen Gravitationswellendetektor GEO600 in der Nähe von Hannover, hauptsächlich zu technischen Testzwecken. Der KAGRA-Kollaboration gehören mehr als 470 Mitglieder aus 11 Ländern an. Obschon KAGRAs Empfindlichkeit noch gering ist, kann der Detektor dabei helfen, starke oder nahe Quellen besser am Himmel zu lokalisieren.

„LIGO und Virgo werden viele weitere katastrophale Kollisionen im All nachweisen, wie sie niemals zuvor beobachtet werden konnten“, sagt Virgo-Sprecher Giovanni Losurdo vom Nationalen Institut für Astrophysik in Rom. „Das wird Licht auf eine wahrhaft neue kosmische Landschaft werfen“ – eine Metapher, die angesichts der finsteren Vorgänge etwas unpassend klingt. Denn Gravitationswellen sind eher mit akustischen als mit optischen Signalen zu vergleichen. Doch Losurdos Vorfreude hat ihre Berechtigung: Es ist, als hätten LIGO und Virgo ein neues Fenster ins All aufgestoßen – und jetzt beginnen die Forscher erstmals zu hören, welche seltsamen Vorgänge sich dort draußen abspielen, weit vor unserer kosmischen Haustür.