Visualisierungen von GW200105 und GW200115

Gravitationswellen von zwei Schwarzen Löchern, die Neutronensterne am Stück verschlucken

Das von den LIGO- und Virgo-Detektoren im Januar 2020 beobachtete Signal ist der erste sichere Nachweis einer Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Die Wellen kamen aus Entfernungen von mehr als 900 Millionen Lichtjahren. Die Schwarzen Löcher verschluckten die Neutronensterne am Stück.

GW200105

Künstlerische Darstellung (im Stil eines Filmplakats) eines Schwarzen Lochs, das einen Neutronenstern verschluckt. Das Plakat stellt GW200105 und die Fortsetzung GW200115 – den ersten sicheren Nachweis von Verschmelzungen Schwarzer Löcher mit Neutronensternen – dar.

© A. S. Carvalho/A. Buonanno, D. Mihaylov, J. Steinhoff (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)

Künstlerische Darstellung (im Stil eines Filmplakats) eines Schwarzen Lochs, das einen Neutronenstern verschluckt. Das Plakat stellt GW200105 und die Fortsetzung GW200115 – den ersten sicheren Nachweis von Verschmelzungen Schwarzer Löcher mit Neutronensternen – dar.

© A. S. Carvalho/A. Buonanno, D. Mihaylov, J. Steinhoff (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)

Einer der LIGO-Detektoren wies das erste der beiden Ereignisse, GW200105, als starkes Signal nach, während der andere vorübergehend nicht im Messbetrieb war. Aus den Gravitationswellen schlossen die Astronom:innen, dass das Signal von einem Schwarzen Loch mit der 9-fachen Masse unserer Sonne stammte, das mit einem kompakten Objekt 1,9-facher Sonnenmasse verschmolz. Sie folgerten, dass es sich beim leichteren Objekt um einen Neutronenstern handelt. Diese Verschmelzung fand etwa 900 Millionen Lichtjahre entfernt statt. Da nur ein Detektor das Signal beobachtete, lässt sich die Richtung zum Ursprung der Wellen nicht sehr genau, sondern nur auf etwa 17% des gesamten Himmels eingrenzen. Das entspricht in etwa der Fläche von 34.000 Vollmonden.

GW200115

Das zweite Ereignis GW200115, das nur 10 Tage später entdeckt wurde, haben alle drei großen Detektoren gesehen: beide LIGO-Instrumente und Virgo. In jedem einzelnen Detektor ist es weniger auffällig als GW200105, doch die gemeinsame Verarbeitung der Messdaten und die zeitlich zusammenfallenden Nachweise machen es zu einem starken Signal. GW200115 stammt von der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit 6 Sonnenmassen mit einem Neutronenstern mit 1,5-facher Masse unserer Sonne. Die Verschmelzung fand rund 1 Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt statt.

Mit den Beobachtungsdaten der drei weit von einander entfernten irdischen Detektoren lässt sich die Richtung zum Ursprung der Wellen auf einen Teil des Himmels eingrenzen, der der Fläche von 2.900 Vollmonden entspricht.

Simulation von GW200115

Film

Der Film zeigt die Simulation der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch (GW200115). Die Masse des Schwarzen Lochs beträgt 6,1 Sonnenmassen, die des Neutronensterns 1,4 Sonnenmassen. Beide Objekte haben keinen Eigendrehimpuls.
Mit diesen Parametern und in Übereinstimmung damit, dass keine elektromagnetische Strahlung gemessen wurde, gehen wir davon aus, dass der Neutronenstern vom Schwarzen Loch verschluckt wurde, ohne dass Gezeiteneffekte auftreten. Daher bildet sich während des Verschmelzungsprozesses keine merkliche Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch.
Die Animation zeigt die Gravitationswellen in blau und die Dichte der Neutronensterne von gelb bis orange (gelb steht für niedrigere Dichten, orange für höhere Dichten). Der untere Teil des Videos zeigt den zeitlichen Verlauf der Gravitationswelle.

Bildrechte

Numerisch-relativistische Simulation: S.V. Chaurasia (Universität Stockholm), T. Dietrich (Universität Potsdam und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)
Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich (Universität Potsdam und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik)

Danksagung
Wir bedanken uns für die Unterstützung durch das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) [Projekt GWanalysis 44189 HAWK], durch den Norddeutschen Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen [Projekt bbp00049] und durch das PDC Center for High Performance Computing [SNIC 2020/1-34 Beskow]. Diese Unterstützung ermöglichte unsere Simulationen von Systemen aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen.

Hinweis: Die Veröffentlichung von Filmen und Bildern bedarf der schriftlichen Einwilligung und erfolgt nur unter Nennung der Rechteinhaber. Bitte kontaktieren Sie das AEI-Pressebüro zwecks Einholung der Genehmigung.

Der Film zeigt die Simulation der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch (GW200115). Die Masse des Schwarzen Lochs beträgt 6,1 Sonnenmassen, die des Neutronensterns 1,4 Sonnenmassen. Beide Objekte haben keinen Eigendrehimpuls.

Simulation von GW200115: Die Verschmelzung von einem Neutronenstern mit einem Schwarzen Loch

https://www.youtube.com/watch?v=Rd3p3xPtWn4

Bilder

Die Bilder zeigen die Simulation der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch (GW200115). Die Masse des Schwarzen Lochs beträgt 6,1 Sonnenmassen, die des Neutronensterns 1,4 Sonnenmassen. Beide Objekte haben keinen Eigendrehimpuls.
Mit diesen Parametern und in Übereinstimmung damit, dass keine elektromagnetische Strahlung gemessen wurde, gehen wir davon aus, dass der Neutronenstern vom Schwarzen Loch verschluckt wurde, ohne dass Gezeiteneffekte auftreten. Daher bildet sich während des Verschmelzungsprozesses keine merkliche Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch.
Die Animation zeigt die Gravitationswellen in blau und die Dichte der Neutronensterne von gelb bis orange (gelb steht für niedrigere Dichten, orange für höhere Dichten). Der untere Teil des Videos zeigt den zeitlichen Verlauf der Gravitationswelle.