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GRAVITATIONSWELLEN
Kollisionen in Sternhaufen sind anders
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Heidelberg 
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18. Mai 2020

Heute nachweisbare Gravitationswellen können durch Kollision und Verschmelzung von Schwarzen Löchern, Neutronensternen oder von einem Schwarzen Loch mit einem Neutronenstern entstehen. Wie sich die Signale hierbei unterscheiden, verraten Simulationen, die eine Auswertung der Beobachtungen erst möglich machen. Die Unterschiede hängen aber offenbar auch von der Umgebung ab.

Kollision

Künstlerische Darstellung der Kollision zweier Neutronensterne. Bild: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet [Großansicht]

Verschmelzen Schwarze Löcher mit Neutronensternen in dichten Sternhaufen, unterscheidet sich dieses Ereignis deutlich von solchen in isolierten Regionen, in denen sich nur wenige Sterne befinden. Die damit verbundenen Merkmale könnten für die Untersuchung von Gravitationswellen und ihrer Herkunft von entscheidender Bedeutung sein. Zu diesem Ergebnis kommt Dr. Manuel Arca Sedda vom Astronomischen Rechen-Institut der Universität Heidelberg in einer Studie, die er auf Basis von Computersimulationen durchgeführt hat. Sie könnte wichtige Aufschlüsse für eine 2019 von Astronomen beobachtete Fusion von zwei massereichen stellaren Objekten bieten.

Sterne, die viel massereicher sind als unsere Sonne, beenden ihr Leben meist als Neutronenstern oder Schwarzes Loch. Neutronensterne lassen sich oft als Pulsare nachweisen und senden dann regelmäßige Strahlungspulse aus. Im August 2017 gelang es erstmals, die Verschmelzung von zwei Neutronensternen zu beobachten. Sie verriet sich durch die Gravitationswellen, die dabei entstanden und konnte anschließend auch von Teleskopen in verschiedenen Wellenlängen identifiziert werden (astronews.com berichtete). 

Schwarze Löcher hingegen bleiben meist unentdeckt, da ihre Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Für Detektoren elektromagnetischer Strahlung sind sie somit unsichtbar. Verschmelzen zwei Schwarze Löcher, ist dieses Ereignis zwar nicht sichtbar, doch auch dies verrät sich durch Gravitationswellen. Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 deutete etwa genau auf eine solche Verschmelzung hin. 

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Gravitationswellen können aber nicht nur durch die Kollision von zwei Schwarzen Löchern oder Neutronensternen entstehen, sondern auch durch die Fusion von einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern. Diese Unterschiede nachzuweisen, gehört zu den großen Herausforderungen bei der Beobachtung derartiger Ereignisse, so Dr. Arca Sedda. In seiner Studie hat der Heidelberger Wissenschaftler die Verschmelzung von Paaren aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen analysiert. Dazu wurden mit detaillierten Computersimulationen die wechselseitigen Beeinflussungen zwischen einem aus einem Stern und einem kompakten Objekt, etwa einem Schwarzen Loch, bestehenden System mit einem dritten vorbeifliegenden massereichen Objekt untersucht, das für eine Verschmelzung notwendig ist.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Art von Drei-Körper-Wechselwirkungen tatsächlich zur Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen in dichten Sternregionen wie zum Beispiel in Kugelsternhaufen beitragen können. "Dabei lässt sich eine spezielle Familie dynamischer Verschmelzungen definieren, die sich von isolierten Fällen deutlich unterscheiden", erklärt Arca Sedda.

Die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern wurde erstmals im August 2019 von Gravitationswellenobservatorien beobachtet. Observatorien auf der ganzen Welt konnten jedoch kein elektromagnetisches Gegenstück in dem Bereich finden, aus dem das Signal der Gravitationswellen kam. Das könnte darauf hindeuten, dass das Schwarze Loch den Neutronenstern komplett verschlungen hat, ohne ihn vorher zu zerstören. Bestätigt sich dies, könnte es sich um die erste beobachtete Fusion eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern handeln, die – wie von Arca Sedda beschrieben – in einer dichten Sternumgebung stattfand.

Die Ergebnisse wurden jetzt in einem Fachartikel in der Zeitschrift Communications Physics veröffentlicht.

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siehe auch
Gravitationswellen: Verschmelzung von Neutronenstern und Schwarzem Loch? - 3. Mai 2019
Gravitationswellen: Wenn Neutronensterne verschmelzen - 16. Oktober 2017
LIGO: Erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen - 11. Februar 2016
Links im WWW
Fachartikel in Communications Physics
Universität Heidelberg
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