Signale der Schwerkraft

Drei Typen von Quellen

Sieht man von der rein hypothetischen Existenz exotischer, bislang nicht nachgewiesener ultrakompakter Himmelsobjekte ab, gibt es nur drei Arten von Gravitationswellen-Quellen infolge kosmischer Karambolagen, die die gegenwärtigen Detektoren nachweisen können: Eine Kollision von zwei Schwarzen Löchern, von zwei Neutronensternen sowie von einem Schwarzen Loch mit einem Neutronenstern. Alle drei Arten müssen im Universum häufig stattfinden – andernfalls hätten Astronomen etwas grundsätzlich falsch verstanden. Doch trotz dieser klaren Voraussagen, die bereits Jahrzehnte alt sind, war viel Geduld nötig, um die theoretischen Annahmen durch empirische Messungen zu bestätigen.

19 Paare von Neutronensternen in der Milchstraße sind seit 1974 aufgrund ihrer Radiostrahlung bekannt – und lieferten den ersten, wenn auch indirekten Hinweis auf Gravitationswellen (bild der wissenschaft 3/2016, „Einsteins Uhren“). Dafür erhielten Russell Alan Hulse und Joseph Taylor 1993 den Nobelpreis für Physik. Am 17. August 2017 wurde die Verschmelzung zweier Neutronensterne zum ersten Mal direkt gemessen – sowohl mithilfe der dabei freigesetzten Gravitationswellen (GW170817) als auch anhand der energiereichen Gammastrahlung und der Nachwirkungen im Wellenlängen-Bereich der Röntgen- bis Radiostrahlung (bild der wissenschaft 2/2018, „Crash der Sternruinen“). Seither haben LIGO und Virgo noch eine zweite Neutronenstern-Karambolage detektiert, GW190425. Ein elektromagnetisches Gegenstück wurde dabei aber nicht gefunden – die Quelle war zu schwach, mit rund 490 Millionen Lichtjahren zu weit entfernt und zu ungenau am Himmel lokalisiert.

Finstere Duos aus Schwarzen Löchern wurden erstmals am 14. September 2015 aufgespürt – und zwar anhand ihrer Signale der Schwerkraft, was zugleich deren erste direkte Messung überhaupt war (bild der wissenschaft 4/2016, „Gravitationswellen“). Dafür bekamen Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish 2017 den Physik-Nobelpreis. Inzwischen haben sich rund 90 dieser unsichtbaren Materiegräber anhand ihrer Gravitationswellen verraten.

Der Entdeckung der ungleichen Geschwister aus einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern stand noch länger aus. Sie ist den LIGO- und Virgo-Teams bei der dritten Beobachtungskampagne O3 nun ebenfalls gelungen.

Eingelochte Neutronensterne

Die Suche nach Signalen in den Daten der Detektoren erfolgt zunächst durch Optimalfilter. Dabei werden die verrauschten Messungen mit Vorhersagen verglichen, die auf der Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie berechnet wurden. Dadurch sind Computerprogramme schnell in der Lage, potenzielle Hinweise auf Gravitationswellen aus den Daten herauszufiltern. Das ähnelt dem menschlichen Vermögen, einzelne Gespräche auf einer lauten Party herauszuhören oder bestimmte Musikinstrumente bei einer Orchester-Aufführung.

Das erste gute Indiz maß LIGO Livingston am 5. Januar 2020 um 16:24 Uhr Weltzeit. LIGO Hanford war zu diesem Zeitpunkt nicht in Betrieb, der weniger empfindliche Detektor Virgo schlug nicht an. Das Signal wurde wie üblich nach dem Datum benannt: GW200105. Als Ursache kommt die Karambolage eines 9,0 Sonnenmassen schweren stellaren Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern von 1,9 Sonnenmassen in Betracht. (Die Messunsicherheiten betragen etwa plus/minus 1,7 beziehungsweise 0,3 Sonnenmassen.) Die Quelle war rund 880 Millionen Lichtjahre entfernt (Rotverschiebung 0,06). „Obwohl nur LIGO Livingston ein klares Signal gemessen hat, haben unsere Analysen ergeben, dass es echt war und kein statistisches Rauschen. Es hat alle kritischen Qualitätstests bestanden und sticht zudem deutlich aus den Rauschereignissen hervor, die wir bislang registriert haben“, berichtet Harald Pfeiffer vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, auch Albert-Einstein-Institut (AEI) genannt.

Nur zehn Tage später, am 15. Januar 2020 um 4:23 Uhr Weltzeit, registrierten beide LIGO-Detektoren und Virgo das Signal GW200115. Es stammt von einem Schwarzen Loch mit 5,9 Sonnenmassen, das sich wohl einen Neutronenstern von 1,44 Sonnenmassen einverleibt hatte (bei einer Unsicherheit von plus/minus 2,5 beziehungsweise plus 0,9 und minus 0,3 Sonnenmassen). Dies geschah in einer Distanz von über 940 Millionen Lichtjahren (Rotverschiebung 0,07).

GW200115 hatte eine so hohe statistische Konfidenz, dass die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Auftretens weniger als einmal in 100.000 Jahren beträgt. Bei GW200105 wurde sie auf nur knapp einmal in 2,8 Jahren geschätzt. Bei einer späteren Analyse musste die Nachweiswahrscheinlichkeit allerdings auf 36 Prozent revidiert werden.

Über die Rotation der beiden Schwarzen Löcher können die Wissenschaftler wenig sagen. „Wir fanden, dass der Spin von GW200105 zwischen 0 und 30 Prozent der maximalen Rotation lag. Für GW200115 betrug der Wert zwischen 0 und 80 Prozent, wobei er wahrscheinlich negativ war, also entgegengesetzt zur Bahndrehung des Doppelsystems. Das wäre sehr ungewöhnlich“, schreiben die Forscher – vielleicht hat die vorausgehende Supernova dem kollabierten Kern einen regelrechten Stoß versetzt, falls sie asymmetrisch explodiert ist. „Für eine Bestimmung der Neutronenstern-Spins sind unsere Messungen nicht empfindlich genug.“

In beiden Fällen schlugen die Wissenschaftler sofort Alarm, damit Astronomen mit Gammastrahlen-Teleskopen und anderen Observatorien nach elektromagnetischen Gegenstücken suchen konnten. Doch die Lokalisierung durch LIGO war viel zu ungenau – entsprechend einer scheinbaren Fläche von 7200 und 600 Quadratgrad beziehungsweise 29.000 und 2400 Vollmonden am Himmel. Wahrscheinlich sind die mächtigen Kollisionen auch gar nicht mit auffälligen Strahlenblitzen einhergegangen, denn die Massenunterschiede der kompakten Körper waren so groß, dass die Neutronensterne wohl als Ganzes vom finsteren Schwerkraftschlund verschlungen wurden. Nur wenn sie zuvor in Stücke gerissen worden wären und ihre Trümmer genug Zeit gehabt hätten, um ein Energiegewitter zu entfesseln, hätte es eine Chance gegeben, dabei einen Gammablitz zu erhaschen.

Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Masse der leichteren Komponenten unterhalb der Maximalmasse eines Neutronensterns war, gibt das LIGO/Virgo-Team mit 87 bis 98 Prozent an. Waren GW200105 und GW200115 real, ist ihre plausibelste Erklärung also der Sturz eines Neutronensterns in ein Schwarzes Loch. Die neuen Erkenntnisse sind ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Astrophysik. „Die dunkle Natur der beiden Quellen bezeugt wieder einmal die Bedeutung der Gravitationswellen-Astronomie“, sagt Tim Dietrich vom AEI. Ohne die Kräuselungen der Raumzeit hätte die Menschheit nie von diesen Ereignissen erfahren.

Deformationen und Trümmerlicht

Künftige Messungen werden die Beweislage hoffentlich noch verbessern. Es gibt zwei klare Signaturen für einen Neutronenstern als Kollisionspartner: Zum einen könnte das Gravitationswellen-Signal zeigen, dass das nur etwa zwei Dutzend Kilometer große Objekt durch die enormen Gezeitenkräfte kurz vor der Karambolage verzerrt oder gar zerrissen wurde – ein Schwarzes Loch hingegen kann keine derartigen Verformungen aufweisen. Zum anderen wäre elektromagnetische Strahlung von dem Ereignis ein markantes Indiz, denn sie würde von den Trümmern des zerfetzten Neutronensterns stammen, bevor diese im Schlund der Raumzeit verschwinden. Je nach Randbedingungen kann sich auch eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch bilden und vielleicht sogar ein Jet aus energiereichen Teilchen – ganz ähnlich, wie es bei manchen stellaren Schwarzen Löchern in der Milchstraße und bei vielen supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren Aktiver Galaxien beobachtet wird.

Allerdings hat LIGO kein Anzeichen einer Gezeitendeformation gemessen – und das war bei dem relativ geringen Signal-zu-Rauschen-Verhältnis auch nicht zu erwarten. Außerdem konnten Astronomen trotz intensiver Suche auch kein elektromagnetisches Gegenstück zu GW200105, GW200115 und vergleichbaren Quellen aufspüren – was ebenfalls nicht verwunderlich ist angesichts der riesigen Distanzen und der sehr ungenau eingrenzbaren Himmelspositionen der Karambolagen.

Doch die Suche wird weitergehen. Die Entdeckung von elektromagnetischer Strahlung bei der Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch wäre für Astrophysiker sehr nützlich, weil dies Rückschlüsse über das exotische Innere der Sternruine erlaubt. Über den extremen Materiezustand im Zentrum eines Neutronensterns gibt es nur Mutmaßungen – vielleicht existieren hier frei flottierende Quarks oder noch kleinere, völlig unbekannte Partikel. Auch die Zustandsgleichung für diese entartete Materie, die die Gesamteigenschaften des kollabierten Sternkerns beschreibt, ist nur grob bekannt.

Allerdings brauchen die Astronomen großes Glück und wohl ebenso viel Geduld, um beispielsweise Radiostrahlung von den Sterntrümmern zu erhaschen. Abschätzungen von Oliver M. Boersma und Joeri van Leeuwen an der Universität Amsterdam ergaben, dass wohl erst die nächste Generation von Gravitationswellen-Detektoren – das gegenwärtig konzipierte Einstein-Teleskop in Europa und der Cosmic Explorer in den USA – im Verbund mit dem im Aufbau befindlichen SKA-Radioobservatorium (Square Kilometre Array) in Australien und Südafrika eine gute Chance haben, solche kosmischen Karambolagen sowohl anhand ihrer raumzeitlichen Erschütterungen als auch im elektromagnetischen Spektrum genau genug zu beobachten.

Was ist der Ursprung der Quellen?

„Astronomen suchen seit Jahrzehnten nach einem Radiopulsar, also einem rotierenden Neutronenstern, der um ein Schwarzes Loch kreist. Aber sie haben bislang kein einziges Exemplar in unserer Milchstraße gefunden“, sagt Astrid Lamberts vom Observatorium Côte d’Azur im französischen Nizza. „Mit Gravitationswellen sind diese fehlenden Binärsysteme nun endlich auch in unserem Horizont aufgetaucht. Das wird uns helfen abzuschätzen, wie viele es davon gibt, wie oft sie verschmelzen und warum wir noch keine in der Galaxis aufgespürt haben.“ Die Astrophysikerin ist zuversichtlich, dass weitere Messungen bald zu wichtigen Erkenntnissen führen: „Sie werden dazu beitragen, die extremsten Phänomene im Universum und ihre Ursachen besser zu verstehen.“

Eine weitere Frage betrifft die Massen. So zeigte sich, dass die der Gravitationswellen-Quellen deutlich schwerer sind als die der anhand ihrer elektromagnetischen Strahlung detektierten galaktischen Neutronensterne. Die LIGO/Virgo-Quellen haben eine gleichförmige Massenverteilung zwischen rund 1,0 bis 2,3 Sonnenmassen. Das steht in einem leichten Widerspruch zu den überwiegend etwa 1,35 Sonnenmassen schweren radioastronomisch vermessenen Neutronensternen in der Milchstraße, könnte jedoch ein Auswahleffekt der verschiedenen Methoden sein.

Auch die Bildung der ungleichen Binärsysteme aus je einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern ist bislang nicht geklärt. Zwei Mechanismen sind am wahrscheinlichsten und lassen sich statistisch durch eine Analyse der Spinrichtung der Himmelskörper unterscheiden: der Ausrichtung und Stärke ihrer Rotation. Bei der isolierten Entwicklung eines Doppelsterns tendiert die Spinrichtung der Schwarzen Löcher nach dem jeweiligen Sternkollaps dazu, in der Umlaufbahnebene des Binärsystems zu liegen. Daher sollte der Neutronenstern das Schwarze Loch in dessen Äquatorebene umrunden. Haben sich die kompakten Körper jedoch nicht gemeinsam in einem Doppelsystem gebildet, sondern getrennt voneinander in einem Kugelsternhaufen oder jungen, dichten Sternhaufen und erst später zufällig gefunden und eingefangen, dann sollten die Spins beliebig zueinander orientiert sein.

Der ermittelte Spin des Schwarzen Lochs in GW200105 erlaubt es nicht, diese beiden Entstehungsszenarien zu unterscheiden. Für GW200115 ist die Spinrichtung wahrscheinlich entgegengesetzt zur Umlaufrichtung: Hätte der Neutronenstern zum Beispiel das Schwarze Loch im Uhrzeigersinn umkreist, dann hätte dieses auf seiner Achse gegen den Uhrzeigersinn rotiert. Das deutet darauf hin, dass das Schwarze Loch einen Supernova-Kick erhielt oder GW200115 aus einem Kugelsternhaufen stammt. Wie typisch das ist, wird sich erst durch viele weitere Messungen klären lassen.

Vorerst nehmen die meisten Experten an, dass die ungleichen Duos aus engen Doppelsternsystemen kommen, die kaum schwere Elemente besaßen, also aus der ersten oder zweiten Sterngeneration stammen. So ergab eine Studie von Floor S. Broekgaarden und Edo Berger vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, dass GW200105 und GW200115 jeweils aus zwei massereichen Sternen hervorgingen, die typischerweise 26 bis 112 und 13 bis 25 Sonnenmassen hatten sowie geringe Distanzen zueinander zwischen 6 und über 200 Millionen Kilometern.

Eine wichtige Frage ist außerdem, ob sich im Doppelsystem zuerst das Schwarze Loch gebildet hat und dann der Neutronenstern oder umgekehrt. Im zweiten Fall stehen die Chancen für die Entdeckung elektromagnetischer Strahlung besser, zumal ein radioastronomisch unsichtbarer Neutronenstern durch Materiezufluss von einem Nachbarstern wieder „aktiviert“ werden und sich dann als Millisekunden-Pulsar bemerkbar machen kann.

Einem Team um Debatri Chattopadhyay von der australischen Swinburne University in Hawthorn und Krzysztof Belczynski von der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau zufolge bilden sich Schwarze Löcher allerdings in den meisten Fällen als Erstes – je nach Modellrechnung in 70 bis 99,9 Prozent der Doppelsternentwicklungen. „Daher sind elektromagnetische Signale bei der Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern sehr selten“, lautet ihre Schlussfolgerung. Die Rechnungen von Broekgaarden und Berger sprechen ebenfalls für ein zuerst entstandenes, langsam rotierendes Schwarzes Loch.

Weitere Kandidaten

Auch ohne elektromagnetische Gegenstücke wird die Messung vieler neuer Gravitationswellen helfen, deren Natur und Ursprung aufzuklären. Letztlich ist es eine Frage der Statistik. Und diese wird bereits besser. Denn weitere Auswertungen der LIGO/Virgo-Daten ergaben noch mehr Kandidaten für eine Kollision von je einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern.

Ein Beispiel ist GW190426 aus dem Crash zweier 5,7 und 1,5 Sonnenmassen schweren Objekte in rund 1,2 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Allerdings war das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis ungünstig, sodass das Ereignis keine hohe statistische Signifikanz hat. Ein himmlischer Ursprung ist daher unsicher. Das gilt auch für die Quellen GW190917 mit 9,7 und 2,1 Sonnenmassen aus 2,3 Milliarden Lichtjahren Distanz sowie GW191219 mit 31,1 und 1,17 Sonnenmassen, 1,8 Milliarden Lichtjahre entfernt. „Das ist der leichteste Neutronenstern, der je beobachtet wurde“, sagt Alessandra Buonanno, AEI-Direktorin in Potsdam. Ein weiterer Kandidat ist GW190814 aus rund 750 Millionen Lichtjahren Distanz (Rotverschiebung 0,05). Seine Messung gilt als zuverlässig, der schwerere Partner hatte 23,3 Sonnenmassen, doch die leichtere Komponente 2,6 plus/minus 0,1 Sonnenmassen – es war also entweder der schwerste bekannte Neutronenstern oder aber das leichteste Schwarze Loch. Überboten wurde dies noch von GW200210 mit 24,1 und 2,83 plus/minus 0,47 Sonnenmassen aus rund drei Milliarden Lichtjahren.

Rätselhafte Massenlücke

Wo die Grenze zwischen dem schwersten Neutronenstern und dem leichtesten Schwarzen Loch liegt, die im Rahmen der bekannten Naturgesetze möglich sind, ist nicht genau bekannt. Es geht also schlicht um die Frage, wie leicht und klein ein stellares Schwarzes Loch sein kann.

Theoretischen Berechnungen zufolge liegt die TOV-Grenze bei etwa 2,3 bis maximal 3 Sonnenmassen: Massereichere Neutronensterne sind instabil und müssen unter ihrem Gewicht unweigerlich in sich zusammenstürzen und ein Schwarzes Loch bilden. Benannt ist die Grenze nach den Physikern J. Robert Oppenheimer and George Volkoff, die auf der Grundlage früherer Arbeiten von Richard Chace Tolman 1939 bereits eine erste Schätzung veröffentlicht hatten.

Die bekannten Neutronensterne in der Milchstraße haben eine maximale Masse von 2 bis 2,3 Sonnenmassen. So bringt es der Millisekundenpulsar J0740+6620 auf 2,14 Sonnenmassen, die Pulsare PSR J1959+2048 und PSR J2215+5135 haben 2,18 beziehungsweise 2,28 Sonnenmassen – wobei die Messunsicherheiten auf jeweils plus/minus 0,1 Sonnenmasse beziffert werden. Schnell rotierende Neutronensterne sind im Prinzip am stabilsten und könnten sich der Gravitation vielleicht noch bei 2,8 Sonnenmassen entgegenstemmen.

Andererseits haben alle bekannten Schwarzen Löcher mehr als fünf Sonnenmassen. Allenfalls könnten einige wenige Exemplare in Röntgen-Doppelsystemen wie 4U1543–47 und GRO J0422+32 leichter als vier Sonnenmassen sein, doch diese Daten sind sehr unsicher. Die bisherigen astronomischen Messungen lassen also eine Massenlücke zwischen ungefähr drei und fünf Sonnenmassen offen: In diesem Massenbereich wurde bislang weder ein Neutronenstern noch ein Schwarzes Loch mit statistisch großer Signifikanz nachgewiesen. Vielleicht liegt das nur an der unzureichenden Datenbasis – oder aber die Natur erzeugt solche Objekte schlicht nicht. Darüber zerbrechen sich Astronomen seit Jahrzehnten den Kopf.

Stellare Lückenfüller?

„Die Massenlücke existiert vielleicht gar nicht“, überlegt Patrick Brady. Der Physik-Professor an der University of Wisconsin-Milwaukee ist Sprecher der LIGO Scientific Collaboration. Die Lücke wäre dann bloß ein Artefakt der begrenzten Messdaten und -methoden. „Mehr Beobachtungen werden das zeigen.“

Tatsächlich gibt es bereits Hinweise, dass die Lücke wohl doch bevölkert ist. So könnten sich die leichteren Komponenten der Signale GW200115 und GW200210 darin aufhalten. Noch hat das LIGO/Virgo-Team hier viele Fragezeichen. Es ist aber zuversichtlich, die Maximalmassen der Neutronensterne auf 0,1 Sonnenmassen genau angeben zu können, wenn etwa 50 Gravitationswellen-Messungen von deren Kollisionen vorliegen.

Den ersten Hinweis auf mutmaßliche Lückenbüßer gab das LIGO/Virgo-Team bereits im Juni 2020 bekannt: Am 14. August 2019 fingen die Detektoren Gravitationswellen von GW190814 auf, der Verschmelzung zweier Objekte mit 23,3 und 2,6 Sonnenmassen. „Wir wissen nicht, ob das masseärmere Objekt der schwerste bekannte Neutronenstern ist oder das leichteste jemals entdeckte Schwarze Loch. So oder so hat es jedoch einen Rekord gebrochen“, freute sich Vicky Kalogera damals. Die Astrophysikerin von der Northwestern University in Evanston, Illinois hatte die Datenanalyse von GW190814 geleitet und verglich den Vorgang mit dem klassischen Videospiel Pac-Man, bei dem ein gefräßiges Monster einen Punkt als ganzen Happen verschlingt. 2,6 Sonnenmassen überschreitet die von den besten Modellrechnungen vorausgesagte Massengrenze der Neutronensterne. Nur falls Neutronensterne sehr schnell rotieren, sind Massen bis zum knapp Dreifachen der Sonne möglich – konsistent mit den schwersten bekannten Exemplaren in der Milchstraße.

Damit ein Neutronenstern mit 2,6 Sonnenmassen nicht unter seiner eigenen Schwerkraft zu einem Schwarzen Loch kollabiert, muss die Materie in seinem Inneren hinreichend stabil gegenüber der gewaltigen Gravitation sein. Wie stabil sie ist, beschreiben Astrophysiker mit einer Zustandsgleichung. Dafür wurden zahlreiche Modelle formuliert. Doch welches der Realität am nächsten kommt, ist unklar – ebenso die Variationsbreite. Immerhin gab die Karambolage zweier Neutronensterne am 17. August 2017 erste Hinweise. Philippe Landry von der California State University in Fullerton schließt daraus, dass zumindest die Eigenschaften und Zustandsgleichung dieser Neutronensterne gegen ein Exemplar von 2,6 Sonnenmassen sprechen.

Auch die Entstehung des seltsamen Paares wirft Rätsel auf. Aus dem Gravitationswellen-Signal lässt sich ablesen, dass das 23,3 Sonnenmassen schwere Schwarze Loch allenfalls langsam rotiert hat. Das ist bei ähnlichen Exemplaren, zu denen es Daten gibt, nicht der Fall – und deutet darauf hin, dass der Vorläuferstern ein Einzelstern war. Hätte er oder sein kollabierter Kern einen Begleiter besessen, müsste eine rasche Rotation die Folge sein – so wie es bei den Röntgendoppelsternen in der Milchstraße der Fall ist, wo ein Schwarzes Loch Materie von seinem Nachbarn anzieht und sich deshalb rasant dreht.

Es ist also nicht wahrscheinlich, dass Doppelsterne so ungleiche Massen aufweisen, dass ihre kompakten Relikte nach den Supernovae derartig unterschiedlich sind wie bei GW190814, und dass das Schwarze Loch langsam rotiert. Auch ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass sich zwei sehr ungleiche Partner zufällig in einem Kugelsternhaufen einfangen. Eher denkbar wäre eine solche Partnervermittlung in einem jungen Sternhaufen, wo die Sternentwicklung stärker durch die Umgebung beeinflusst wird, bevor es zum Gravitationskollaps kommt. Oder die beiden unterschiedlichen Objekte fanden sich zufällig in der Akkretionsscheibe um ein supermassereiches Schwarzes Loch. All diese Ereignisse sind nicht unmöglich – aber vermutlich so selten, dass ein Signal wie GW190814 rein statistisch betrachtet eigentlich noch lange nicht hätte gemessen werden sollen. Kurzum: GW190814 ist eine Herausforderung für gleich drei astrophysikalische Aspekte, wie Mario Spera von der Northwestern University betont hat – für die ominöse Massenlücke, für die Entstehungsszenarien und für die extrapolierten Kollisionsraten.

„Dieses Objekt fordert unser Verständnis von extrem dichten Materiezuständen sowie der Entwicklung der Sterne heraus“, sekundiert Pedro Marronetti, Programmdirektor für Gravitationsphysik der National Science Foundation der USA. „Die Messung ist ein weiteres Beispiel für das Transformationspotenzial der Gravitationswellen-Astronomie. Mit jeder neuen Entdeckung können neue Einsichten folgen“, sagt er.

Asymmetrische Duos

GW190814 erwies sich auch in einer anderen Hinsicht als etwas Besonderes: Mit einem Massenverhältnis von 9 zu 1 war das ungleiche Paar das bis dahin unterschiedlichste kollidierte Duo von allen bekannten Gravitationswellen-Ereignissen. Zuvor hielt das am 12. April 2019 von LIGO und Virgo gemessene Signal GW190412 diesen Rekord, verursacht von zwei Schwarzen Löchern mit rund 30 sowie etwa 8 Sonnenmassen, also einem Masseverhältnis von etwa 3,8 zu 1 (was später auf 27,7 sowie 7,0 und somit auf 3,1 zu 1 präzisiert wurde).

Solche Asymmetrien sollten der Allgemeinen Relativitätstheorie zufolge subtile Muster in das Gravitationswellen-Signal einprägen. Physiker sprechen von Obertönen in der Wellenform. Genau diese wurden bei GW190412 erstmals gemessen. Das hat Einsteins Theorie auf neue Weise bestätigt.

Die Obertöne oder „höheren Harmonien“ ermöglichen es, die Neigung der Umlaufbahn der beiden Schwarzen Löcher relativ zur irdischen Sicht- oder besser Hörlinie zu erschließen und dadurch die Entfernung der Quelle genauer zu berechnen: Bei GW190412 waren es rund 2,3 Milliarden Lichtjahre. Üblicherweise sind die Inklination- und Distanzwerte eng miteinander verquickt und daher entsprechend unsicher.

„Jeder Beobachtungslauf von LIGO und Virgo hat uns bislang neue Erkenntnisse über das Universum geliefert, O3 ist da keine Ausnahme“, sagt Frank Ohme vom AEI. „GW190412 gab uns erstmals die Gelegenheit, die Obertöne zu messen, das Signal dadurch besser zu verstehen und die Allgemeine Relativitätstheorie in einem neuen Bereich zu überprüfen. Ich bin davon überzeugt, dass wir gerade erst damit beginnen, die Vielfalt der Binärsysteme aus Schwarzen Löchern zu erkennen, und es ist aufregend, die Geheimnisse des Universums Stück für Stück etwas genauer zu ergründen.“

In der zweiten Hälfte von O3 spürten die Forscher ein noch extremeres Verhältnis von 26,6 zu 1 auf. Das bereits erwähnte Ereignis GW191219 wurde von der Kollision eines rund 31,1 plus/minus 2,8 Sonnenmassen schweren Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern von 1,17 plus/minus 0,07 Sonnenmassen verursacht.

Wie oft kommt es zum Crash?

Die Messungen von LIGO und Virgo erlauben auch eine – freilich noch grobe – Abschätzung der Kollisionsrate von Neutronensternen mit Schwarzen Löchern. Angegeben wird diese als Zahl der Kollisionen pro Kubikgigaparsec und Jahr (ein Gigaparsec entspricht 3,26 Milliarden Lichtjahren). Nach den ersten beiden Beobachtungsläufen O1 und O2 ließ sich bereits hochrechnen, dass die Rate unter 600 liegt, andernfalls wäre damals bereits ein Ereignis gemessen worden. Nach der Messung von GW200105 und GW200115 nannte das LIGO/Virgo-Team eine Rate von 12 bis 242, wobei 45 der wahrscheinlichste Wert ist, falls die beiden Ereignisse repräsentativ waren. Nach der Auswertung aller O3-Messungen ergab sich ein damit kompatibler Wert von 7 bis 320.

Zum Vergleich: Die Kollisionsrate zweier Neutronensterne beträgt ungefähr das Zehnfache. Anders gesagt: Irgendwo im Universum prallen solche Sternruinen alle zehn Sekunden zusammen. Dass ein Schwarzes Loch einen Neutronenstern verschlingt, geschieht hingegen nur alle paar Minuten.

Allerdings sind die meisten kosmischen Karambolagen zu weit entfernt, um sich mit den gegenwärtigen Detektoren aufspüren zu lassen. Trotzdem könnte LIGO im nächsten Beobachtungslauf O4, der Ende des Jahres beginnen soll, einmal im Monat messen, wie ein Neutronenstern mit einem anderen oder einem Schwarzen Loch zusammenstieß. Die meisten Signale werden auch weiterhin von der Karambolage Schwarzer Löcher stammen. Sie kollidieren mit einer Rate von 10 bis 130 pro Kubikgigaparsec und Jahr. Solche Ereignisse sind aufgrund ihrer höheren Massen jedoch leichter und somit auch aus wesentlich größeren Distanzen für Gravitationswellen-Detektoren erkennbar.

„Die Verbesserungen der Detektoren werden die Nachweisrate weiter erhöhen“, erwartet Patrick Brady. Der Sprecher der LIGO Scientific Collaboration erhofft sich durchschnittlich eine Entdeckung an jedem Tag in O4 und mehrere Nachweise täglich in O5 in der Mitte dieses Jahrzehnts. Auch die Zahl der wissenschaftlichen Publikationen steigt bereits. „Wir haben zuletzt ungefähr einen Artikel pro Monat veröffentlicht“, sagt Brady. Hinzu kommen zahlreiche Fachaufsätze von Forschern, die nicht zum LIGO/Virgo-Team gehören. Obwohl die Gravitationswellen-Astrophysik noch keine sieben Jahre alt ist, hat sie sich also schon fest etabliert und eine erstaunliche Produktivität entwickelt.