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STERNENTWICKLUNG
Wie Paare aus Schwarzen Löchern entstehen
Redaktion / Pressemitteilung der Universität Bonn
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25. Februar 2016

Die Gravitationswellen, die im September des vergangenen Jahres von den LIGO-Detektoren nachgewiesen wurden, entstanden bei der Verschmelzung zweier relativ massereicher stellarer Schwarzer Löcher. Astronomen der Universitäten in Bonn und Oxford haben ein Modell entwickelt, das die Entstehung solcher Paare beschreibt. Die LIGO-Messung bestätigte ihre Theorie schneller als erwartet.

Gravitationswellen

Ausschnitt aus einer Simulation der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern, bei der Gravitationswellen entstehen. Bild: NASA/C. Henze  [Großansicht]

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen machte vor zwei Wochen weltweit Schlagzeilen. Albert Einstein hat diese Wellen vor 100 Jahren vorhergesagt, ein direkter Nachweis war bislang aber nicht gelungen. Verantwortlich für die mit den beiden Detektoren des LIGO-Observatoriums nachgewiesenen Gravitationswellen soll die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mit jeweils der rund 30-fachen Masse der Sonne gewesen sein.

Doch wie können solche Paare aus Schwarzen Löchern überhaupt entstehen? Die Frage ist weit weniger einfach zu beantworten, als sie sich zunächst anhört. Damit nämlich zwei sich umkreisende Schwarze Löcher innerhalb einer Zeit verschmelzen können, die kleiner ist, als das Alter des Universums, müssen sie sich sehr nahe sein. Dann strahlen sie nämlich ausreichend Gravitationswellen ab und verlieren dadurch Energie, bis es schließlich zur Verschmelzung kommt.

Schwarze Löcher in der Größenordnung von 30 Sonnenmassen müssen aus einem äußerst massereichen Stern entstanden sein. Solche Sterne blähen sich in bestimmten Phasen ihrer Entwicklung so weit auf, dass ihr Durchmesser größer ist, als der für dieses Szenario erlaubte maximale Abstand der beiden Objekte. Sie müssen daher eine Phase durchlaufen, in der einer oder beide Sterne praktisch innerhalb der Hülle des anderen Sterns umlaufen. Was dabei genau passiert, ist den Astronomen bislang nur recht grob klar, so dass sich daraus auch nur schwer verlässliche Angaben über die Häufigkeit von solchen Verschmelzungen ableiten lassen.

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Jetzt haben Astronomen der Universitäten Bonn und Oxford eine neue Theorie entwickelt, die die Entstehung solcher Paare aus relativ massereichen Schwarzen Löchern erlaubt. Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen durch die LIGO-Detektoren passte da gut. "Durch diese Messungen sind unsere Berechnungen viel schneller bestätigt worden, als wir uns das vorstellen konnten", freut sich Prof. Dr. Norbert Langer, Gruppenleiter am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. Und sein Oxforder Kollege Prof. Dr. Philipp Podsiadlowski ergänzt: "Das ist eine herausragende Messung und eine wunderbare Bestätigung unserer Theorie."

Seit längerem versuchen Astronomen durch Berechnungen der Entwicklung von Doppelsternen Szenarien zu finden, bei denen die Sternreste als Schwarze Löcher miteinander verschmelzen und dabei Gravitationswellen aussenden. Allerdings prognostizierten bisherige Kalkulationen zumeist Objekte mit viel kleinerer Masse, sie konnten auch deren erwartete Anzahl nur sehr ungenau vorhersagen.

Der Durchbruch bei den Berechnungen wurde erzielt, als die Wissenschaftler in ihrer Theorie von einer viel schnelleren Rotation der Sterne ausgingen, die zu deren völliger Durchmischung führt. Mit diesem Szenario ist es möglich, sehr massereiche Systeme mit Schwarzen Löchern von 30 Sonnenmassen und mehr entstehen zu lassen. Außerdem erlaubt diese Theorie auch, die Anzahl der Systeme, die solche Gravitationswellen aussenden, viel genauer zu berechnen. Danach ist es nicht nur sehr wahrscheinlich, dass entsprechende Verschmelzungen mit LIGO entdeckt werden. Sie könnten sogar die Hauptquelle für die von LIGO zukünftig gemessenen Signale sein.

"Auch wenn Einzelheiten noch offen sind, scheinen die ersten LIGO-Messungen diese Vorhersagen zu bestätigen", so Langer. Über ihr Modell berichten die Astronomen in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen ist.

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siehe auch
Gravitationswellen: Erfolglose Suche nach sichtbarem Signal - 24. Februar 2016
LIGO: Erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen - 11. Februar 2016
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Universität Bonn
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