Täuschen Schwarze Löcher große Massen vor?

Lösungsvorschlag für ein rätselhaftes Gravitationswellensignal.

Auf den Punkt gebracht

• Das Signal: Am 23. November 2023 fingen beiden LIGO-Observatorien in den USA Gravitationswellen von der Verschmelzung der bislang schwersten Schwarzen Löcher auf.
• Das Rätsel: Nach bereits veröffentlichten Untersuchungen hatten die beiden Schwarzen Löcher etwa die 100- bzw. 140-fache Masse unserer Sonne. Mit gängigen Modellen der Sternentwicklung sind jedoch Schwarze Löcher dieser Massen schwer zu erklären. Wie sie entstehen konnten, bleibt rätselhaft.
• Eine mögliche Lösung: Wissenschaftler*innen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam schlagen jetzt eine Erklärung für die ungewöhnlichen Massen vor: Eine Gravitationslinse – möglicherweise hervorgerufen durch einen Sternhaufen – kann die Gravitationswelle verändert und so die großen Massen der verschmelzenden Schwarzen Löcher vorgetäuscht haben.

Das Gravitationswellensignal GW231123, das die beiden LIGO-Detektoren in den USA am 23. November 2023 von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher auffingen, gibt Wissenschaftler*innen weiter Rätsel auf. Angesichts ihrer großen Massen lassen sich die Schwarzen Löcher nicht mit dem üblichen Verständnis der Sternentwicklung erklären. Sie sind aber nicht nur sehr schwer, sie rotieren auch noch sehr schnell. Beides macht die Interpretation des Signals besonders herausfordernd und deutet auf eine ungewöhnliche Entstehungsgeschichte des Doppelsystems hin.

In einer neuen Studie geht nun ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) im Potsdam Science Park der Frage auf den Grund, ob die gemessenen Massen und Drehgeschwindigkeiten durch die Wirkung einer Gravitationslinse größer erscheinen, als sie in Wirklichkeit sind.

Licht auf krummen Wegen und verzerrte Gravitationswellen

Licht, das das Universum durchläuft, wird von massereichen Objekten abgelenkt. So entstehen manchmal mehrere Bilder derselben astrophysikalischen Quelle. Dieser Gravitationslinseneffekt muss berücksichtigt werden, um Beobachtungen korrekt zu interpretieren. Linseneffekte werden routinemäßig bei elektromagnetischen Quellen wie Sternen und Galaxien beobachtet und treten voraussichtlich auch bei einem Teil der Gravitationswellenquellen auf.

„Wie Licht können auch Gravitationswellen von massereichen Objekten abgelenkt, verstärkt und in mehrere Signale aufgespalten werden“, sagt Miguel Zumalacárregui, Gruppenleiter in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI. „Bei Gravitationswellen eröffnen uns Beugungs- und Interferenzeffekte eine zusätzliche Möglichkeit, solche veränderten Signale zu identifizieren und zu untersuchen.”

Um diese subtilen Beugungseffekte durch Gravitationslinsen nachzuweisen, sind empfindliche Detektoren und neuartige Methoden zur Datenanalyse erforderlich. Zu diesem Zweck entwickelte das Team ein mathematisches Modell der Ablenkung von Gravitationswellen sowie eine Software, die schnell genug ist, um die Daten auszuwerten.

„Wenn wir davon ausgehen, dass GW231123 von einem kompakten Objekt mit etwa 190 bis 850 Sonnenmassen – oder von einer ausgedehnten Struktur wie einem Kugelsternhaufen – abgelenkt und verzerrt wurde, können wir die beobachteten hohen Massen verstehen“, sagt Srashti Goyal, die während ihrer Zeit als Postdoc am AEI in Potsdam die Studie mitverfasst hat. „Außerdem erfordert die Interpretation des Signals bei Einberechnung des Linseneffekts keine ungewöhnlich hohen Drehgeschwindigkeiten.“ Berücksichtigt man diese Effekte, läge die Gesamtmasse der Quelle bei etwa 140 Sonnenmassen statt bei etwa 230 Sonnenmassen. Das System wäre dann weitaus weniger außergewöhnlich und ließe sich leichter in bekannte Szenarien zur Entstehung Schwarzer Löcher einordnen.

Across the Universe

Der Titel der Studie, „Across the Universe“, ist eine Anspielung auf die Beatles – doch hier verändert die Reise tatsächlich, wie die Quelle erscheint. Während sich Gravitationswellen durch das expandierende Universum ausbreiten, werden ihre Wellenlängen gedehnt und ihre Frequenzen verringert – ein Effekt, der als kosmologische Rotverschiebung bekannt ist und mit der Absenkung der Tonhöhe eines Klangs vergleichbar ist. So wie ein Cello, das in einer tieferen Tonlage gespielt wird, fälschlicherweise für einen Kontrabass gehalten werden könnte, kann ein entferntes Doppelsystem zweier Schwarzer Löcher massereicher erscheinen, als es tatsächlich ist. Die Vergrößerung durch die Gravitation verstärkt diese Illusion zusätzlich, indem sie die entfernte Quelle näher erscheinen lässt.

„Unsere Analyse deutet auch darauf hin, dass die kompakte Linse in ein größeres Gravitationsfeld eingebettet war, beispielsweise in das der Galaxie, in der sie sich befindet“, fügt Héctor Villarrubia-Rojo, Postdoctoral Scholar an der Universidad Complutense in Madrid, Spanien, und einer der Autoren der Studie, hinzu. „Durch die Einbeziehung dieses externen Potenzials können wir die kleinräumige Beugung und die großräumige Vergrößerung mit einem einzigen Regelwerk beschreiben.”

Neue Erkenntnisse durch verzerrte Gravitationswellen

Bislang haben Forschende in den Daten der Gravitationswellen-Detektoren noch keine eindeutig durch Gravitationslinsen veränderten Signale entdeckt. Laut der neuen Studie ist GW231123 jedoch ein vielversprechender Kandidat für ein solches Ereignis.

„Die Natur der Linse bleibt in unserer Analyse ein großes Rätsel, da einzelne kompakte Linsen mit 100–1.000 Sonnenmassen äußerst selten sein dürften”, erläutert Zumalacárregui. „Weitere Untersuchungen müssen klären, ob sich solche Linsen bilden können oder ob eine Ansammlung leichterer Objekte, darunter auch Sterne, dieses Ereignis erklären kann.“

Wenngleich die aktuellen Daten noch keine eindeutigen Aussagen über Gravitationslinsen zulassen, erwarten die Forschenden, nach weiteren Upgrades der Detektoren auch abgelenkte Gravitationswellen zu entdecken und mit neuen Datenanalyse-Methoden interpretieren zu können. Die durch die Gravitation verursachte Vergrößerung könnte Verschmelzungen von Schwarzen Löchern jenseits der Entfernung offenbaren, die aktuelle Detektoren normalerweise erreichen können.

Die Beugung wiederum ermöglicht es, kompakte Objekte und Strukturen aus dunkler Materie entlang der Sichtlinie zu untersuchen. Damit könnten derartig abgelenkte Gravitationswellen eine neue Methode zur Erforschung des Universums werden.