Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Donner ohne Blitz


Das "stille" Verschmelzen von Schwarzen Löchern mit Neutronensternen, d.h. eines Ereignisses ohne die Emission elektromagnetischer Strahlung, findet in dichten Sternumgebungen wie im Kugelsternhaufen NGC 3201 statt. (Bildnachweis: ESO)

Laut Dr. Manuel Arca Sedda, Astronom am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH / ARI), scheint sich das Verschmelzen von Schwarzen Löchern mit Neutronensternen in dichten Sternhaufen von solchen Ereignissen in isolierten Regionen deutlich zu unterscheiden. Dieses Merkmal könnte für das Klären der Herkunft von Gravitationswellen von entscheidender Bedeutung sein und leicht auf Daten angewendet werden, die bereits von Gravitationswellendetektoren aufgezeichnet wurden. Die Ergebnisse seiner Forschung wurden jetzt in Communications Physics, einem Open-Access-Journal von Nature Research, veröffentlicht.

Sterne, die viel massereicher sind als unsere Sonne, beenden ihr Leben meist als Neutronenstern oder Schwarzes Loch. Neutronensterne lassen sich durch ihre regelmäßig ausgesandten Strahlungsimpulse nachweisen. Schwarze Löcher hingegen bleiben meist unentdeckt, da ihre Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Für Detektoren elektromagnetischer Strahlung macht sie dieser Umstand unsichtbar. Umkreisende sich zwei Schwarze Löcher, so verlieren sie Orbitalenergie in Form von "Gravitationswellen" (GWs). Diese Wellen bewegen sich durch den Raum und üben beim Durchgang durch die Erde äußerst winzige periodische Variationen des gegenseitigen Abstandes zwischen Körpern aus. Diese Variationen können von GW-Detektoren wie dem "Laser Interferometer Gravitationswellen Observatorium (LIGO)" nachgewiesen werden. Der erste Nachweis erfolgte am 14. September 2015 durch die LIGO-Virgo Kollaboration. Das Signal wurde dabei durch das Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher erzeugt.

Doch nicht nur Paare Schwarzer Löcher können Gravitationswellen freisetzen, sondern auch Paare von Neutronensternen oder einen Paar, das aus einem Schwarzen Loch und einem Neutronensternen besteht. Diese beiden Fälle stellen eine äußerst interessante Klasse von Quellen für Gravitationswellen dar, da der Neutronenstern durch die intensive Gezeitenkraft des Schwarzen Lochs zerstört werden kann. Die Bedingungen sind so extrem, dass der zerrissene Neutronenstern im gesamten elektromagnetischen Spektrum intensive Strahlung abgibt. Als am 7. August 2017 erstmals die Fusion von Doppelneutronensternen beobachtete wurde, richteten Wissenschaftlern auf der ganzen Welt ihre Teleskope auf die Region, aus der das Signal stammte. Und tatsächlich entdeckten sie das Leuchten der Explosion.

Paare aus massereichen Sternenresten bilden sich "isoliert" oder "dynamisch". Auf dem isolierten Weg werden zwei Stern bereits als Doppelstern geboren und beeinflussen sich während ihres Sternlebens bis zu dem Punkt, an dem sich beide Sterne in ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern verwandeln. Der dynamische Weg findet in dichten Umgebungen wie Sternhaufen statt, in denen sich Sterne einzeln zu Schwarzen Löchern oder Neutronensternen entwickeln und viel später zu einem Paar zusammenfinden. Eine der Herausforderungen bei der Beobachtung von Gravitationswellen besteht darin, solche Unterschiede nachzuweisen.

Die von Dr. Arca Sedda durchgeführte Studie sollte die Eigenschaften der Verschmelzung von Paaren aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen herausfinden. Mit detaillierten Simulationen untersuchte er dazu die Wechselwirkungen zwischen Systemen aus einem Stern und einem kompakten Objekt, z.B. einem Schwarzen Loch, mit einem dritten vorbeifliegenden massereichen Objekt. Seine Ergebnisse weisen darauf hin, dass diese Art von Drei-Körper-Wechselwirkung tatsächlich zur Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen in dichten Sternregionen wie z.B. in Kugelsternhaufen beitragen kann. "Man kann eine spezielle Familie dynamischer Verschmelzungen definieren, die sich von isolierten Fällen deutlich unterscheiden" erklärt Manuel Arca Sedda. Diese Familie zeichnet sich durch eine große Gesamtmasse der beteiligten Objekte mit der 20- bis 30-fachen der Masse unserer Sonne aus, wobei das Schwarze Loch des Paars selbst eine Masse von 10 bis 20 Sonnenmassen aufweist. Ferner wird beim Verschmelzen mit dem Neutronenstern kaum elektromagnetische Strahlung emittiert, sofern das Schwarze Loch schnell rotiert.

Am 14. August 2019 berichtete die LIGO-Virgo-Kollaboration über die erste Beobachtung der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Observatorien auf der ganzen Welt richteten daraufhin ihre Augen auf die Region am Himmel, aus der das Signal kam, konnten jedoch kein elektromagnetisches Gegenstück finden. Das könnte in der Tat darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch den Neutronenstern komplett verschlang, ohne ihn vorher zu zerstören. Bestätigt sich dies, so könnte S190814bv die erste beobachtet Fusion eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern sein, die in einer dichten Sternumgebung entdeckt wurde, wie von Dr. Arca Sedda vorhergesagt.


Kontakt für die Medien

Dr. Guido Thimm
Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH)
-Öffentlichkeitsarbeit -
Email: thimm(at)uni-heidelberg.de


Originale Veröffentlichung

"Dissecting the properties of neutron star-black hole mergers originating in dense star clusters", Manuel Arca Sedda, 2020, Communications Physics, DOI: 10.1038/s42005-020-0310-x


Ergänzende Informationen

Homepage of LIGO-Virgo collaboration
Link to event data of quiet BH-Neutron star merger

 

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