LIGO und Jungfrau finden in der „Massenlücke“ ein mysteriöses Objekt

Großer schwarzer Kreis mit der Aufschrift

Im August 2019 erlebte das Gravitationswellennetzwerk LIGO-Virgo die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit der 23-fachen Masse unserer Sonne und einem mysteriösen Objekt mit der 2,6-fachen Sonnenmasse. Wissenschaftler wissen nicht, ob das mysteriöse Objekt ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch war, aber so oder so stellte es entweder den schwersten bekannten Neutronenstern … oder das leichteste bekannte Schwarze Loch auf. Bild überLIGO/ Caltech/ MIT/ R. Hurt (IPAC).


Ursprünglich veröffentlicht am 23. Juni 2020 von der internationalen LIGO-Virgo-Kollaboration.

Wenn die massereichsten Sterne sterben, kollabieren sie unter ihrer eigenen Schwerkraft und hinterlassen Schwarze Löcher; Wenn Sterne, die etwas weniger massereich sind, sterben, explodieren sie in Supernovae und hinterlassen dichte, tote Überreste von Sternen, die Neutronensterne genannt werden. Seit Jahrzehnten rätseln Astronomen über eine Lücke, die zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern liegt: Der schwerste bekannte Neutronenstern hat nicht mehr als das 2,5-fache der Masse unserer Sonne oder 2,5Sonnenmassen, und das leichteste bekannte Schwarze Loch hat etwa 5 Sonnenmassen. Bleibt die Frage: Liegt etwas in dieser sogenannten Massenlücke?


In einer neuen Studie des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory der National Science Foundation (LIGO) und derJungfrauDetektor in Europa haben Wissenschaftler die Entdeckung eines Objekts mit 2,6 Sonnenmassen bekannt gegeben und es damit fest in der Massenlücke platziert. Das Objekt wurde am 14. August 2019 gefunden, als es mit einem Schwarzen Loch von 23 Sonnenmassen verschmolz und einen Spritzer von Gravitationswellen erzeugte, die von LIGO und Virgo auf der Erde entdeckt wurden. Ein Papier über die Erkennung warveröffentlichtam 23. Juni 2020, inDie Briefe des Astrophysikalischen Journals.

Vicky Kalogera, Professor an der Northwestern University,genannt:

Wir haben Jahrzehnte darauf gewartet, dieses Rätsel zu lösen. Wir wissen nicht, ob dieses Objekt der schwerste bekannte Neutronenstern oder das leichteste bekannte Schwarze Loch ist, aber so oder so bricht es einen Rekord.


MitverfasserPatrick Brady, Professor an der University of Wisconsin, Milwaukee, und Sprecher der LIGO Scientific Collaboration, sagte:

Dies wird die Art und Weise ändern, wie Wissenschaftler über Neutronensterne und Schwarze Löcher sprechen. Die Massenlücke existiert möglicherweise überhaupt nicht, könnte aber auf Einschränkungen der Beobachtungsfähigkeiten zurückzuführen sein. Die Zeit und weitere Beobachtungen werden es zeigen.

Die in der Studie beschriebene kosmische Verschmelzung, ein Ereignis mit dem Namen GW190814, führte zu einem letzten Schwarzen Loch, das etwa die 25-fache Masse der Sonne hat (ein Teil der verschmolzenen Masse wurde in eine Energieexplosion in Form von Gravitationswellen umgewandelt). Das neu entstandene Schwarze Loch liegt etwa 800 MillionenLichtjahreweg von der Erde.

Bevor die beiden Objekte verschmolzen, unterschieden sich ihre Massen um den Faktor 9, was dies das extremste Massenverhältnis ist, das für ein Gravitationswellenereignis bekannt ist. Ein weiteres kürzlich berichtetes LIGO-Virgo-Ereignis namens GW190412 ereignete sich zwischen zwei Schwarzen Löchern mit einem Massenverhältnis von etwa 4:1. Kalogera erklärte:

Für aktuelle theoretische Modelle ist es eine Herausforderung, Paare kompakter Objekte mit einem so großen Massenverhältnis zu bilden, bei denen der massearme Partner in der Massenlücke sitzt. Diese Entdeckung impliziert, dass diese Ereignisse viel häufiger auftreten, als wir vorhergesagt haben, was dies zu einem wirklich faszinierenden Objekt mit geringer Masse macht.

Das mysteriöse Objekt könnte ein Neutronenstern sein, der mit einem Schwarzen Loch verschmilzt, eine aufregende Möglichkeit, die theoretisch erwartet, aber durch Beobachtungen noch nicht bestätigt wurde. Mit der 2,6-fachen Masse unserer Sonne übertrifft es jedoch moderne Vorhersagen für die maximale Masse von Neutronensternen und könnte stattdessen das leichteste jemals entdeckte Schwarze Loch sein.


Grafik mit blauen Kreisen oben, lila Kreisen als nächstes, gelben und orangefarbenen Punkten unten.

Massen auf dem Sternenfriedhof. Diese Grafik zeigt die Massen von Schwarzen Löchern, die durch elektromagnetische Beobachtungen (lila), Schwarzen Löchern, die durch Gravitationswellenbeobachtungen gemessen wurden (blau), Neutronensternen, die mit elektromagnetischen Beobachtungen gemessen wurden (gelb), und Neutronensternen, die durch Gravitationswellen (orange) nachgewiesen wurden. GW190814 ist in der Mitte der Grafik als Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines mysteriösen Objekts (entweder Neutronenstern oder Schwarzes Loch) mit der 2,6-fachen Sonnenmasse hervorgehoben. Bild überLIGO-Jungfrau/ Nordwest-U./ Frank Elavsky & Aaron Geller.

Als die Wissenschaftler von LIGO und Virgo diese Fusion entdeckten, schickten sie sofort eine Warnung an die astronomische Gemeinschaft. Dutzende von boden- und weltraumgestützten Teleskopen folgten auf der Suche nach Lichtwellen, die bei dem Ereignis erzeugt wurden, aber keines nahm irgendwelche Signale auf. Bisher wurden solche leichten Gegenstücke zu Gravitationswellensignalen nur einmal bei einem Ereignis namens GW170817 gesehen. Dieses Ereignis, das im August 2017 vom LIGO-Virgo-Netzwerk entdeckt wurde, beinhaltete eine feurige Kollision zwischen zwei Neutronensternen, die anschließend von Dutzenden von Teleskopen auf der Erde und im Weltraum beobachtet wurde. Kollisionen von Neutronensternen sind eine chaotische Angelegenheit, bei der Materie in alle Richtungen nach außen geschleudert wird und daher erwartet wird, dass sie mit Licht strahlt. Umgekehrt wird angenommen, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern in den meisten Fällen kein Licht erzeugen.

Laut den Wissenschaftlern von LIGO und Virgo wurde das Ereignis im August 2019 aus mehreren möglichen Gründen nicht von lichtbasierten Teleskopen gesehen. Erstens war dieses Ereignis sechsmal weiter entfernt als die 2017 beobachtete Fusion, was es schwieriger machte, Lichtsignale zu empfangen. Zweitens, wenn an der Kollision zwei Schwarze Löcher beteiligt wären, hätte es wahrscheinlich kein Licht geschienen. Drittens, wenn das Objekt tatsächlich ein Neutronenstern wäre, hätte sein 9-fach massereicheres Schwarzes Loch es möglicherweise ganz verschluckt; ein Neutronenstern, der ganz von einem Schwarzen Loch verzehrt wird, würde kein Licht abgeben. Kalogera kommentierte:

Ich denke an Pac-Man, der einen kleinen Punkt isst. Wenn die Massen stark asymmetrisch sind, kann der kleinere Neutronenstern mit einem Bissen gegessen werden.

Leuchtend gesprenkelte blaue Kugel und dunkle Kugel in der Ferne, mit gelben und orangefarbenen Streifen, die sie verbinden.

Künstlerisches Konzept eines Schwarzen Lochs/Neutronenstern-Doppelsystems. Es zeigt einen Neutronenstern (Vordergrund), der ein größeres Schwarzes Loch (Hintergrund) umkreist. Das Schwarze Loch ist weiter entfernt und erscheint aus dieser Perspektive kleiner und zeigt die Auswirkungen vonGravitationslinsenMaterial, das vom Neutronenstern akkretiert wird. Es ist nicht bekannt, ob der Begleiter des Schwarzen Lochs in GW190814 ein Neutronenstern oder ein massearmes Schwarzes Loch ist. Bild über Carl Knox (OzGrav)/LIGO-Jungfrau.

Wie werden Forscher jemals wissen, ob das mysteriöse Objekt ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch war? Zukünftige Beobachtungen mit LIGO-, Virgo- und möglicherweise anderen Teleskopen könnten ähnliche Ereignisse einfangen, die helfen würden, aufzudecken, ob zusätzliche Objekte in der Massenlücke existieren.Charlie heute, ein Mitglied der LIGO Scientific Collaboration und ein Doktorand an der Cardiff University, sagte:

Dies ist der erste Blick auf eine möglicherweise ganz neue Population kompakter binärer Objekte. Das wirklich Spannende ist, dass dies erst der Anfang ist. Wenn die Detektoren immer empfindlicher werden, werden wir noch mehr dieser Signale beobachten und die Populationen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern im Universum lokalisieren können.

Pedro Marronetti, Programmdirektor für Gravitationsphysik bei der National Science Foundation (NSF), sagte:

Die Massenlücke ist seit Jahrzehnten ein interessantes Rätsel, und jetzt haben wir ein Objekt entdeckt, das genau darin passt. Das kann nicht erklärt werden, ohne unserem Verständnis von extrem dichter Materie oder unserem Wissen über die Entwicklung von Sternen zu trotzen. Diese Beobachtung ist ein weiteres Beispiel für das transformative Potenzial des Feldes der Gravitationswellenastronomie, das mit jeder neuen Entdeckung neue Erkenntnisse bringt.

Fazit: Die Wissenschaftswelt brummt über eine neue Entdeckung, die durch die LIGO-Virgo-Kollaboration gemacht wurde. Es ist ein neues Objekt, das in der sogenannten „Massenlücke“ zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern gefunden wurde.

Quelle: GW190814: Gravitationswellen aus der Koaleszenz eines Schwarzen Lochs mit 23 Sonnenmassen und einem kompakten Objekt mit 2,6 Sonnenmassen

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