Rätselhafter Lückenfüller
Wenn ein Schwarzes Loch und ein Neutronenstern verschmelzen
Der LIGO-Livingston-Detektor hat am 29. Mai 2023 ein ungewöhnliches Signal empfangen. Es stammt von der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem unbekannten kompakten Objekt, höchstwahrscheinlich einem vergleichsweise leichten Schwarzen Loch. Die Masse dieses Objekts fällt mit nur wenigen Sonnenmassen in die sogenannte „untere Massenlücke“ zwischen den schwersten Neutronensternen und den leichtesten Schwarzen Löchern. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik haben mit genauen Wellenformmodellen, neuen Datenanalysemethoden und ausgefeilten Detektor-Technologien zu dieser Entdeckung beigetragen. Obwohl dieses Ereignis nur aufgrund seiner Gravitationswellen beobachtet wurde, könnten in Zukunft weitere Ereignisse dieser Art auch im elektromagnetischen Bereich beobachtet werden.
Seit rund 30 Jahren diskutieren Forschende, ob es eine Massenlücke, gibt, die die schwersten Neutronensterne von den leichtesten Schwarzen Löchern trennt. Nun haben Forschende erstmals ein Objekt gefunden, dessen Masse genau in diesen für weitgehend leer gehaltenen Bereich fällt. „Dies sind sehr aufregende Zeiten für die Gravitationswellenforschung: Wir stoßen in Bereiche vor, die unser theoretisches Verständnis astrophysikalischer Phänomene, die durch die Gravitation bestimmt werden, verändern dürften“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik im Potsdam Science Park.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Neutronensterne leichter sind als das Dreifache der Masse unserer Sonne. Der genaue Wert für die maximale Masse, die ein Neutronenstern haben kann, bevor er zu einem Schwarzen Loch kollabiert, ist jedoch unbekannt. „Angesichts von Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum und unseres derzeitigen Verständnisses der Sternentwicklung hätte man erwartet, dass es nur sehr wenige Schwarze Löcher oder Neutronensterne im Bereich von drei bis fünf Sonnenmassen gibt. Die Masse eines der jetzt entdeckten Objekte fällt jedoch genau in diesen Bereich“, ergänzt Buonanno.
In den vergangenen Jahren haben Forschende einige Objekte entdeckt, deren Massen möglicherweise in diese schwer fassbare Lücke fallen. Im Fall von GW190814 haben LIGO und Virgo ein Objekt am unteren Ende des Massenspektrums entdeckt. Das nun mit dem Gravitationswellen-Signal GW230529 entdeckte kompakte Objekt ist jedoch das erste, dessen Masse eindeutig in der Lücke liegt.
Neuer Beobachtungslauf mit empfindlicheren Detektoren und verbesserten Suchmethoden
Der sehr erfolgreiche dritte Beobachtungslauf der Gravitationswellen-Detektoren endete im Frühjahr 2020 und erhöhte die Zahl der bekannten Gravitationswellen-Ereignisse auf 90. Bis zum Beginn des vierten Beobachtungslauf am 24. Mai 2023 führten die LVK-Forschenden verschiedene Upgrades an den Detektoren durch, um deren Empfindlichkeit zu erhöhen. „Mitarbeitende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover haben gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von LIGO die Laserquellen der LIGO-Detektoren, das Herzstück der empfindlichen Instrumente, verbessert“, erläutert Karsten Danzmann, Direktor am Albert-Einstein-Institut Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Diese liefern hochpräzises Laserlicht mit einer Leistung von bis zu 125 Watt, dessen Eigenschaften auf sehr kurzen und sehr langen Zeitskalen stets gleich sind.“ Benno Willke, Leiter der Arbeitsgruppe Laserentwicklung am Albert-Einstein-Institut, ergänzt: „Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der neuen Festkörperlaserverstärker sind erstaunlich und ich bin davon überzeugt, dass sie auch beim nächsten Detektor-Upgrade zum Einsatz kommen werden.“
Aber nicht nur die Hardware wurde verbessert: Der neue Beobachtungslauf nutzte die Vorteile einer effizienten Infrastruktur zur Berechnung der Wellenformen. Auch Genauigkeit, Geschwindigkeit und physikalischer Inhalt der am Albert-Einstein-Institut Potsdam entwickelten Wellenformmodelle wurden verbessert, so dass sich die Eigenschaften der Schwarzen Löcher innerhalb weniger Tage bestimmen lassen.
Paukenschlag im vierten Beobachtungslauf
Bereits fünf Tage nach dem Start des vierten Beobachtungslaufs wurde es richtig spannend: Am 29. Mai 2023 beobachtete der LIGO-Livingston-Detektor eine Gravitationswelle, die innerhalb weniger Minuten als Signalkandidat „S230529ay“ veröffentlicht wurde. Das Ergebnis dieser nahezu in Echtzeit mit Empfangen des Signals ablaufenden „Online-Analyse“: Mit hoher Wahrscheinlichkeit sind rund 650 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch miteinander verschmolzen. Wo genau die Verschmelzung stattfand, lässt sich jedoch nicht sagen, da zum Zeitpunkt des Signals nur ein Gravitationswellen-Detektor wissenschaftliche Daten aufzeichnete. Daher konnte die Richtung, aus der die Gravitationswellen kamen, nicht bestimmt werden.
Die Forschenden stellten sicher, dass das Signal keine lokale Störung im LIGO-Livingston-Detektor war, sondern tatsächlich aus den Tiefen des Weltalls kam. „Dafür untersuchten wir unter anderem alle Störsignale und zufälligen Schwankungen des Detektorrauschens, die schwachen Signalen ähneln“, erklärt Frank Ohme, Leiter einer Max-Planck-Forschungsgruppe am Albert-Einstein-Institut Hannover. „GW230529 hebt sich deutlich von diesem Hintergrund ab und wurde mit mehreren unabhängigen Suchmethoden übereinstimmend entdeckt. Dies spricht eindeutig für einen astrophysikalischen Ursprung des Signals.“
Auch anhand von GW230529 überprüften die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Gültigkeitsbereich von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. „GW230529 stimmt genau mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie überein“, sagt Elise Sänger, Doktorandin am Albert-Einstein-Institut Potsdam, die an der Untersuchung beteiligt war. „Mit diesem Signal haben wir einige der bisher stärksten Einschränkungen alternativer Gravitationstheorien durch Gravitationswellenereignisse der LIGO-Virgo-KAGRA Kollaborationen erhalten.“
GW230529: Neutronenstern trifft unbekanntes kompaktes Objekt
Numerische Simulation des kompakten Doppelsternsystems GW230529: Materie und Gravitationswellen
Um die Eigenschaften der Objekte zu bestimmen, die sich umrundeten, miteinander verschmolzen und dabei das Gravitationswellen-Signal erzeugten, verglichen die Forschenden die Daten des LIGO-Livingston-Detektors mit zwei verschiedenen hochmodernen Wellenformmodellen. „Die Modelle berücksichtigen eine Reihe relativistischer Effekte, um sicherzustellen, dass das resultierende Signalmodell so realistisch und umfassend wie möglich ist, was den Vergleich mit Beobachtungsdaten erleichtert“, sagt Héctor Estellés Estrella, ein Postdoktorand im Team des Albert-Einstein-Institut Potsdam, der eines der Modelle entwickelt hat. „Unter anderem kann unser Wellenformmodell Schwarze Löcher genau beschreiben, die mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit in der Raumzeit herumwirbeln und dabei Gravitationswellen über mehrere Harmonische aussenden“, fügt Lorenzo Pompili hinzu, ein Doktorand am Albert-Einstein-Institut Potsdam, der das Modell mitentwickelt hat.
GW230529 stammt aus der Verschmelzung eines kompakten Objekts mit der 1,3- bis 2,1-fachen Masse unserer Sonne mit einem weiteren kompakten Objekt mit der 2,6- bis 4,7-fachen Sonnenmasse. Ob es sich bei den beteiligten kompakten Objekten um Neutronensterne oder Schwarze Löcher handelt, lässt sich allein aus der Gravitationswellen-Analyse nicht mit Sicherheit ableiten. Aufgrund aller bekannten Eigenschaften des Doppelsystems gehen die Forschenden jedoch davon aus, dass das leichtere Objekt ein Neutronenstern und das schwerere ein Schwarzes Loch ist. Die Masse des schwereren Objekts liegt damit sicher in der Massenlücke, die bisher als weitgehend leer galt. Bei keinem der bisherigen Kandidaten für Objekte in diesem Massenbereich waren sich die Forschenden dessen so sicher.
Von den bislang beobachteten Verschmelzungen von Neutronensternen mit Schwarzen Löchern ist GW230529 diejenige, bei der sich die Massen der beiden Objekte am wenigsten unterscheiden. Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Albert-Einstein-Institut Potsdam erklärt: „Falls das Schwarze Loch deutlich schwerer als der Neutronenstern ist, bleibt nach der Verschmelzung keine Materie außerhalb des Schwarzen Lochs zurück, und es wird keine elektromagnetische Strahlung ausgesandt. Leichtere Schwarze Löcher dagegen können den Neutronenstern mit ihren stärkeren Gezeitenkräften zerreißen und dabei Materie herausschleudern, die als Kilonova oder Gammastrahlenblitz aufleuchten kann.“
Die Beobachtung eines so ungewöhnlichen Systems kurz nach dem Beginn des vierten Beobachtungslaufs lässt auch weitere Beobachtungen ähnlicher Signale erwarten. Die Forschenden haben berechnet, wie häufig solche Paare miteinander verschmelzen und fanden, dass diese Ereignisse mindestens so häufig auftreten wie die bisher beobachteten Verschmelzungen von Neutronensternen mit schwereren Schwarzen Löchern. Daher sollte auch ein Nachleuchten im elektromagnetischen Spektrum häufiger zu beobachten sein als bisher angenommen.
Wie das schwerere kompakte Objekt – höchstwahrscheinlich ein leichtes Schwarzes Loch – im Doppelsystem, das GW230529 ausgesendet hat, entstanden ist, können die Forschenden nur vermuten. Für ein direktes Produkt einer Supernova ist es zu leicht. Denkbar – aber unwahrscheinlich – ist, dass es bei einer Supernova entstanden ist, bei der in der Explosion herausgeschleudertes und dann zurückfallendes Material das neu entstandene Schwarze Loch wachsen lässt. Noch unwahrscheinlicher ist es, dass das Schwarze Loch durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne entstanden ist. Auch ein Ursprung als primordiales Schwarzes Loch in der Frühzeit des Universums ist möglich, aber nicht sehr wahrscheinlich. Nicht ganz ausschließen können die Forschenden allerdings, dass es sich bei dem schwereren Objekt nicht um ein leichtes Schwarzen Loch, sondern um einen extrem schweren Neutronenstern handelt.
Der vierte Beobachtungslauf geht weiter
Bislang wurden in der ersten Hälfte des vierten Beobachtungslaufs insgesamt 81 wahrscheinliche Signale identifiziert. GW230529 ist das erste davon, das nun nach eingehender Untersuchung veröffentlicht wurde. Nach einer mehrwöchigen Unterbrechung des Beobachtungslaufs für Installations- und Inbetriebnahmearbeiten und einen anschließenden Testlauf beginnt am 10. April die zweite Hälfte des Beobachtungslaufs. Daran werden ab sofort beide LIGO-Detektoren, Virgo und GEO600 teilnehmen.
Während der Beobachtungslauf weitergeht, werten die LVK-Forschenden bereits alle in der ersten Hälfte des vierten Laufs gewonnenen Beobachtungsdaten aus und überprüfen die verbleibenden 80 bereits identifizierten Signalkandidaten. Die Empfindlichkeit der Detektoren sollte nach der Unterbrechung noch einmal leicht höher sein. Bis zum Ende des vierten Beobachtungslaufs im Februar 2025 wird daher voraussichtlich eine ähnliche Anzahl neuer Kandidaten hinzukommen und die Gesamtzahl der beobachteten Gravitationswellen-Signale bald 200 überschreiten.
Gravitationswellen-Observatorien
LIGO wird von der NSF finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die das Projekt konzipiert und aufgebaut haben. Die finanzielle Unterstützung für das Advanced LIGO-Projekt wurde von der NSF geleitet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council) bedeutende Verpflichtungen und Beiträge zu dem Projekt geleistet haben. Mehr als 1.600 Forschende aus der ganzen Welt sind über die LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO Collaboration gehört, an dem Projekt beteiligt. Weitere Partner sind unter https://my.ligo.org/census.php aufgeführt.
Die Virgo Collaboration besteht derzeit aus etwa 880 Mitgliedern aus 152 Institutionen in 17 verschiedenen hauptsächlich europäischen Ländern. Das Europäische Gravitationsobservatorium ist die Dachorganisation für den Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa in Italien und wird vom Centre National de la Recherche Scientifique in Frankreich, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien und dem National Institute for Subatomic Physics in den Niederlanden finanziert. Eine Liste der Gruppen der Virgo Collaboration finden Sie unter: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. Weitere Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA ist das Laserinterferometer mit drei Kilometer Armlänge in Kamioka, Gifu, Japan. Das verantwortliche Institut ist das Institute for Cosmic Ray Research der Universität Tokio, und das Projekt wird vom National Astronomical Observatory of Japan und der High Energy Accelerator Research Organization mitbetreut. Die KAGRA-Kollaboration besteht aus über 400 Mitgliedern aus 128 Instituten in 17 Ländern/Regionen. Die Informationen von KAGRA für ein allgemeines Publikum finden Sie auf der Website https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Ressourcen für Forscher sind über http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA zugänglich.
