DIE SCHWERSTE SCHWARZLOCH-KOLLISION VERLIEF NICHT AUF EINEM KREIS

Am 23. November 2023 zeichneten die LIGO-Observatorien in Hanford und Livingston GW231123 auf, die massereichste bisher gemeldete Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Unter Annahme einer kreisförmigen Umlaufbahn ergab die Standardanalyse Massen von etwa 137 und 101 Sonnenmassen, beide extrem schnell rotierend.

Diese Zahlen sind unbequem. Das kleinere Schwarze Loch fällt in die sogenannte Paarinstabilitäts-Massenlücke (pair-instability mass gap), einen Massenbereich, den der gewöhnliche Kollaps eines Sterns kaum hervorbringen kann. Ein Ausweg ist eine hierarchische Verschmelzung: In einer dicht bevölkerten Umgebung wie einem dichten Sternhaufen bleibt der Überrest einer Verschmelzung in der Nähe und verschmilzt später erneut. Die Arbeit weist zudem auf einen nützlichen Hinweis hin: Wenn zwei Schwarze Löcher ähnlicher Masse mit geringem Drehimpuls verschmelzen, rotiert der Überrest typischerweise mit einem Wert von etwa 0,7 – auf der dimensionslosen Skala der Physiker, auf der Werte nahe 1 einen nahezu maximalen Drehimpuls bedeuten.

Nur ein paar Zyklen

GW231123 war kurz: nur wenige messbare Wellenzyklen vor dem finalen Sturz. Das macht seine Deutung sehr empfindlich gegenüber dem Modell der Wellenform. Eine Eigenschaft ist besonders schwer festzumachen: die Exzentrizität, also wie oval die Umlaufbahn ist. Die Abstrahlung von Gravitationswellen rundet die Bahnen alter, isolierter Paare in der Regel ab, doch enge Begegnungen in dichten Umgebungen können eine gewisse Exzentrizität hinterlassen. Über nur wenige Zyklen kann eine ovale Bahn das Taumeln rotierender Schwarzer Löcher nachahmen. Lässt ein Modell die Exzentrizität weg, können die Drehimpulse ihre Signatur aufnehmen.

Tiefer beginnen, mehr sehen

Baoxiang Wang und Tao Yang von der Universität Wuhan haben mit Kollegen der Beijing Normal University, des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam und der Universität Ningbo die öffentlichen Daten mit einem Wellenformmodell neu analysiert, das sowohl Exzentrizität als auch präzedierende Drehimpulse zulässt. Der entscheidende Unterschied: Für den Hanford-Detektor, dessen öffentliche Daten von einer Störung (Glitch) bereinigt worden waren, begannen sie bei 11 Hertz statt bei 20. Die Exzentrizität ist bei niedrigeren Frequenzen größer, daher zählt dieser frühe Teil des Signals am meisten.

• Die Exzentrizität der Bahn ergibt sich zu 0,34, definiert bei einer Frequenz von 5,5 Hertz.
• Das exzentrische Modell wird mit einem Bayes-Faktor von 10,2 bevorzugt: Eine ovale Bahn erklärt die Daten etwa zehnmal besser als eine kreisförmige.
• Beginnen sie wie frühere Studien bei 20 Hertz, finden sie kaum Exzentrizität – im Einklang mit diesen Studien.

Zur Kontrolle bauten sie ein gefälschtes GW231123 mit ovaler Bahn und analysierten es auf dieselbe Weise. Es verhielt sich genau wie das echte Ereignis: ab 11 Hertz deutlich exzentrisch, ab 20 viel weniger. Ein zu hoher Startpunkt kann eine ovale Bahn verbergen.

Das Drehimpuls-Rätsel lockert sich

Die Berücksichtigung der Exzentrizität verändert vor allem das kleinere Schwarze Loch. Sein Drehimpuls sinkt von 0,90 in der kreisförmigen Analyse auf etwa 0,74, nahe den 0,7, die für den Überrest einer früheren Verschmelzung zu erwarten sind. Das gefälschte Signal zeigt denselben Effekt: Als kreisförmig analysiert, scheint sein kleineres Schwarzes Loch schneller zu rotieren, als es tatsächlich tut.

Das größere Schwarze Loch bleibt in beiden Fällen schnell rotierend, und seine Masse passt kaum zu einer einfachen Herkunft aus der zweiten Generation. Die beiden Schwarzen Löcher könnten daher unterschiedliche Vorgeschichten haben: Das kleinere ist möglicherweise das Kind zweier früherer Schwarzer Löcher, das größere auf andere Weise entstanden. Auch die zusätzliche Möglichkeit einer Gravitationslinse entlang der Sichtlinie ändert das exzentrische Ergebnis nicht.

Was sich ändert

Frühere Studien nutzten das kleinere Schwarze Loch von GW231123, um die Obergrenze der Paarinstabilitäts-Massenlücke zu bestimmen. Wenn dieses Schwarze Loch selbst das Produkt einer Verschmelzung ist, argumentieren die Autoren, kann seine Masse diese Grenze nicht allein festlegen. Ein Bayes-Faktor von 10 ist ein Hinweis, kein Beweis – die Autoren selbst merken an, dass auch wirklich exzentrische Signale nicht immer eine starke Präferenz ergeben, wenn das Signal kurz ist. Wenn eine Populationsgrenze auf wenigen ungewöhnlichen Ereignissen beruht, so ihr Fazit, sind die Wellenformannahmen hinter diesen Ereignissen unmittelbar von Bedeutung.