Ein Team von Wissenschaftler:innen der britischen Cardiff University hat herausgefunden, dass die massereichsten Schwarzen Löcher im Universum nicht durch den Kollaps einzelner Sterne entstehen. Wie in einer im Fachmagazin Nature Astronomy veröffentlichten Studie zu lesen ist, wachsen diese extrem massereichen Objekte stattdessen durch wiederholte Kollisionen in dichten Sternenhaufen heran.
Für die Untersuchung analysierten die Astrophysiker:innen um den Erstautor Fabio Antonini insgesamt 153 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern, die von Observatorien wie LIGO im US-Bundesstaat Washington und Virgo im italienischen Cascina erfasst wurden. Die Datenbasis stammt aus der Version 4.0 des sogenannten Gravitational-Wave Transient Catalog, der die bislang umfangreichste Sammlung solcher Ereignisse darstellt.
Die Grenze von 45 Sonnenmassen
Die Auswertung zeigt deutlich, dass es bei etwa 45 Sonnenmassen eine harte physikalische Grenze gibt. Erreicht ein Stern am Ende seiner Lebensdauer eine Masse oberhalb dieses Wertes, wird er in einer gewaltigen Explosion vollständig zerrissen und hinterlässt keinerlei Materie, die noch kollabieren könnte.
Dadurch entsteht die sogenannte Paarinstabilitäts-Massenlücke, weshalb extrem schwere Schwarze Löcher aus einzelnen Sternen eigentlich gar nicht hervorgehen dürften. Dass die Observatorien in genau diesem theoretisch verbotenen Massenbereich dennoch Signale verzeichnen, lässt sich nur durch einen genauen Blick auf die Eigenrotation der Objekte erklären.
Chaos im Kugelsternhaufen
Während Schwarze Löcher aus einem direkten stellaren Kollaps meist langsam und in geordneten Bahnen rotieren, weisen die superschweren Exemplare extrem schnelle und völlig zufällig ausgerichtete Eigendrehimpulse auf. Diese chaotische Signatur entsteht, wenn Schwarze Löcher in dicht gepackten Kugelsternhaufen immer wieder aufeinandertreffen und miteinander verschmelzen. „Die größten Schwarzen Löcher in der aktuellen Stichprobe scheinen uns etwas über die Dynamik von Sternenhaufen zu verraten, nicht nur über die Sternentwicklung“, ordnet Fabio Antonini die Ergebnisse ein.
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Obwohl die neuen Erkenntnisse eine elegante Erklärung für die Existenz der massereichen Schwarzen Löcher liefern, werfen sie gleichzeitig neue Fragen für die Modellierung von Kugelsternhaufen auf. Die Forscher:innen müssen nun klären, ob die bestehenden Computermodelle derart extreme und häufige Kollisionen über große kosmologische Zeiträume hinweg fehlerfrei abbilden können.
Einblicke in die Kernphysik
Neben der reinen Astrophysik liefert die Beobachtung der Gravitationswellen auch direkte Rückschlüsse auf elementare Prozesse der Kernphysik. Im Inneren massereicher Sterne wird während des sogenannten Heliumbrennens kontinuierlich Kohlenstoff in Sauerstoff umgewandelt.
Das genaue Verhältnis dieser beiden Elemente entscheidet letztlich darüber, bei welcher exakten Masse der Stern durch eine Explosion vollständig zerrissen wird. Da das Team jetzt den Beginn dieser Massenlücke bei 45 Sonnenmassen verortet, lässt sich die Geschwindigkeit der zugrunde liegenden Kernreaktion präziser als je zuvor bestimmen.
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Gravitationswellen als neues Werkzeug
Die Astronomie entwickelt sich durch diese fächerübergreifenden Analysemethoden somit immer weiter weg von reinen Zählstatistiken hin zu einem tiefen Verständnis komplexer Entwicklungsgeschichten im Universum. Wie die Co-Autorin Isobel Romero-Shaw erklärt, lässt sich durch diese Daten direkt überprüfen, wie Sterne und Haufen im Universum entstehen und vergehen.
Zukünftige Beobachtungsläufe der Gravitationswellen-Observatorien werden die Datenbasis weiter vergrößern und die Grenzen der Massenlücke noch präziser definieren. Es bleibt abzuwarten, ob die etablierten Modelle der Sternentwicklung durch die neuen Messwerte lediglich angepasst oder in Teilen komplett revidiert werden müssen.
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