Wissenschaftler entdecken die bisher massereichste Verschmelzung Schwarzer Löcher mit der 225-fachen Masse der Sonne: „An der Grenze des derzeit Möglichen.“

Die internationale LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration hat mithilfe der von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanzierten LIGO-Observatorien die Verschmelzung der massereichsten Schwarzen Löcher entdeckt, die jemals mit Gravitationswellen beobachtet wurden. Die gewaltige Verschmelzung erzeugte ein letztes Schwarzes Loch mit einer Masse, die etwa 225-mal so groß ist wie die unserer Sonne. Das Signal mit der Bezeichnung GW231123 wurde während des vierten Beobachtungszyklus des LVK-Netzwerks am 23. November 2023 registriert.

LIGO, das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, schrieb 2015 Geschichte, als es erstmals Gravitationswellen, also Kräuselungen in der Raumzeit, direkt nachweiste. Damals stammten die Wellen von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die ein Schwarzes Loch mit der 62-fachen Masse unserer Sonne hervorbrachte. Das Signal wurde gemeinsam von LIGOs Zwillingsdetektoren erfasst, von denen sich einer in Livingston, Louisiana, und der andere in Hanford, Washington, befindet.

Seitdem hat sich das LIGO-Team mit Partnern vom Virgo-Detektor in Italien und KAGRA (Kamioka Gravitational-Wave Detector) in Japan zur KLV-Kollaboration zusammengeschlossen. Diese Detektoren haben in ihrem vierten Analysezyklus zusammen mehr als 200 Verschmelzungen Schwarzer Löcher beobachtet, seit Beginn des ersten Zyklus im Jahr 2015 insgesamt rund 300.

Die bisher massereichste Verschmelzung Schwarzer Löcher (verursacht durch ein Ereignis namens GW190521 im Jahr 2021) hatte eine Gesamtmasse von 140 Sonnenmassen. Beim jüngsten Ereignis, GW231123, entstand das 225 Sonnenmassen schwere Schwarze Loch durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern, die jeweils etwa 100- bzw. 140 Sonnenmassen besaßen.

Schwarze Löcher besitzen nicht nur eine hohe Masse, sondern rotieren auch schnell. „Dies ist das massereichste Doppelsystem Schwarzer Löcher, das wir bisher mithilfe von Gravitationswellen beobachtet haben. Es stellt eine echte Herausforderung für unser Verständnis der Entstehung Schwarzer Löcher dar“, bemerkt Mark Hannam von der Cardiff University und Mitglied der LVK-Kollaboration. „Schwarze Löcher dieser Masse sind in Standardmodellen der Sternentwicklung verboten. Eine Möglichkeit ist, dass die beiden Schwarzen Löcher in diesem Doppelsystem durch vorherige Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sind.“

Dave Reitze, LIGOs geschäftsführender Direktor am Caltech, führt dies aus: „Diese Beobachtung zeigt einmal mehr, wie Gravitationswellen auf einzigartige Weise die grundlegende und exotische Natur schwarzer Löcher im gesamten Universum enthüllen.“

Die hohe Masse und die extrem schnelle Rotation der Schwarzen Löcher in GW231123 bringen sowohl die Technologie zur Gravitationswellenerkennung als auch aktuelle theoretische Modelle an ihre Grenzen. Um genaue Informationen aus dem Signal zu gewinnen, waren Modelle erforderlich, die die komplexe Dynamik schnell rotierender Schwarzer Löcher berücksichtigten .

„Schwarze Löcher scheinen sich sehr schnell zu drehen, nahe der Grenze, die Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zulässt “, erklärt Charlie Hoy von der Universität Portsmouth (Großbritannien) und Mitglied des LVK. „Das erschwert die Modellierung und Interpretation des Signals. Es ist eine hervorragende Fallstudie für die Weiterentwicklung unserer theoretischen Werkzeuge.“

Die Forscher verfeinern ihre Analysen kontinuierlich und verbessern die Modelle zur Interpretation dieser Extremereignisse. „Es wird Jahre dauern, bis die Gemeinschaft dieses komplexe Signalmuster und alle seine Implikationen vollständig entschlüsselt hat“, bestätigt Gregorio Carullo von der Universität Birmingham (Großbritannien), Mitglied des LVK. „Obwohl die wahrscheinlichste Erklärung weiterhin eine Verschmelzung Schwarzer Löcher ist, könnten komplexere Szenarien der Schlüssel zur Entschlüsselung ihrer unerwarteten Eigenschaften sein.“

Gravitationswellendetektoren wie LIGO, Virgo und KAGRA sind darauf ausgelegt, winzige Verzerrungen der Raumzeit zu messen, die durch gewaltige kosmische Ereignisse verursacht werden. Der vierte Beobachtungszyklus begann im Mai 2023. Weitere Beobachtungen aus der ersten Hälfte des Zyklus (bis Januar 2024) werden im Laufe des Sommers veröffentlicht.

„Dieses Ereignis bringt unsere Instrumentierung und Datenanalysekapazitäten an die Grenzen des derzeit Möglichen “, sagt Sophie Bini, Postdoktorandin am Caltech und Mitglied der LVK. „Es ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie viel wir von der Gravitationswellenastronomie lernen können und wie viel noch zu entdecken ist.“