Nahezu alle bisher bekannten Schwarzen Löcher fallen in zwei Kategorien: Entweder sie sind supermassereiche Giganten von hunderttausenden bis zehn Milliarden Sonnenmassen und sitzen im Zentrum von Galaxien. Oder aber es sind stellare Schwarze Löcher, die durch die Supernova eines massereichen Sterns entstanden sind. Diese Schwarzen Löcher können gängiger Theorie nach nicht mehr als etwa 65 Sonnenmassen umfassen. Denn noch schwerere Ausgangssterne explodieren nicht als Supernova, sondern durchleben kurze instabile Episoden, in denen sie jeweils einen signifikanten Anteil ihrer Masse abstoßen. Dadurch “schrumpfen” diese Sterne so weit, dass dann bei ihrer Explosion wieder nur ein Schwarzes Loch von maximal 65 Sonnenmassen entsteht. Am anderen Ende des Spektrums stehen Sterne mit mehr als 200 Sonnenmassen, die weder schrumpfen noch explodieren, sondern direkt zum Schwarzen Loch kollabieren – dies erzeugt Schwarze Löcher ab etwa 120 Sonnenmassen. Das bedeutet: Im Bereich von 65 bis 120 Sonnenmassen gibt es eine Lücke, in der es keine Schwarzen Löcher geben dürfte – Astrophysiker bezeichnen diese als Paarinstabilitätslücke.
Extrem schwer und ziemlich laut
Doch jetzt berichten Forscher der LIGO- und Virgo-Kollaboration von einem Gravitationswellensignal, das von der Existenz gleich zweier Schwarzer Löcher in dieser Lücke zeugt. Detektiert wurde das GW190521 getaufte Signal am 21. Mai 2019 sowohl von den beiden LIGO-Detektoren in den USA wie auch vom Virgo-Gravitationswellen-Detektor in Italien. Die winzigen Erschütterungen der Raumzeit dauerten nur rund eine Zehntelsekunde und umfassten vier Schwingungszyklen – dies entspricht den letzten beiden Umläufen zweier Schwarzer Löcher vor ihrer Verschmelzung. Ungewöhnlich waren jedoch die hohe Intensität und niedrige Frequenz der Schwingungen, die auf die Verschmelzung zweier besonders massereicher Objekte hindeuteten. “Das Signal war weniger ein Tschirpen, wie wir es typischerweise detektieren, als vielmehr ein richtiger ‘Bang’ – es ist das massereichste Signal das LIGO und Virgo jemals beobachtet haben”, sagt Nelson Christensen von französischen Nationalen Forschungszentrum CNRS.
Aus den Signalmerkmalen schließen die Forscher, dass die Gravitationswellen von der Verschmelzung zweier besonders massereicher Schwarzen Löcher stammen. “Das größere war rund 85 Sonnenmassen schwer, das kleinere lag näher bei 66 Sonnenmassen”, berichtet die LIGO-Kollaboration. “Beide Schwarzen Löcher sind damit weit massereicher als alle bisher von Virgo und LIGO detektierten.” Entsprechend schwer war auch das aus dieser Verschmelzung resultierende Schwarze Loch: Die Forscher schätzen es auf rund 142 Sonnenmassen. Damit ist GW190521 die Verschmelzung mit der höchsten je beobachteten Gesamtmasse. Entsprechend groß war dadurch auch die Freisetzung von Gravitationswellen bei diesem Ereignis. Den Physikern zufolge wurde bei dieser Kollision das Energieäquivalent der siebenfachen Sonnenmasse ausgesendet. Das machte die Gravitationswellen stark genug, um selbst aus der enormen Entfernung von mehr als sieben Milliarden Lichtjahren bei uns anzukommen. Die Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher fand demnach schon vor etwa sieben Milliarden Jahren statt – damals war das Universum halb so alt wie heute.
