Mit modernen Teleskopen und Detektoren werden viel mehr Himmelsphänomene erfasst, als es zuvor möglich war. Die zahlreichen Messdaten helfen Forschern, das Universum besser zu verstehen, die astrophysikalischen Modelle vom Werden und Vergehen der Himmelsobjekte zu verfeinern. Doch manche Daten stellen die Fachleute vor Rätsel.
Dazu gehören Objekte mit „ungehöriger“ Masse. Schwer zu sagen, worum es sich handelt. Es könnten Neutronensterne sein, doch dafür sind sie eigentlich zu schwer; es könnten schwarze Löcher sein, doch dafür sind sie eigentlich zu leicht; es könnten exotische Objekte sein, doch das ist recht unwahrscheinlich.
Außergewöhnlich schwer oder außergewöhnlich leicht
Der Reihe nach: Kürzlich berichteten Forscher von einem Signal, das im Mai 2023 vom Gravitationswellendetektor Ligo aufgezeichnet wurde. Die folgende Analyse des „GW230529“ genannten Signals ergab: Hier sind zwei Objekte miteinander verschmolzen, von denen eines die 1,2- bis 2,0-fache Masse unserer Sonne hat. Sehr wahrscheinlich ist es ein Neutronenstern, ein kompakter Überrest eines einst massereichen Sterns.
Sollte es sich bei dem rätselhaften Objekt um einen Neutronenstern handeln, wird das unser Verständnis vom Zustand der Materie bei diesen unglaublichen Dichten grundlegend ändern.
Paulo Freire, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Für das zweite Objekt kalkulierten die Forscher eine 2,5- bis 4,5-fache Sonnenmasse. Es liegt damit in einer Massenlücke zwischen den schwersten Neutronensternen und den leichtesten Schwarzen Löchern. Neutronensterne erreichen gemäß Theorie und Messungen nicht mehr als 2,3 Sonnenmassen; und die leichtesten schwarzen Löcher, die durch kollabierende Sterne entstehen können, haben hingegen etwa fünf Sonnenmassen. Dazwischen liegt die sogenannte „untere Massenlücke“ – in der es aber offenbar doch etwas gibt.
Bereits zu Jahresbeginn berichteten Radioastronomen von einem Pulsar mit der Bezeichnung „PSR J0514-4002E“ im Kugelsternhaufen NGC 1851 im Sternbild Taube. Es handelt sich um einen Neutronenstern, der schnell rotiert und einem Leuchtturm gleich Radiowellen abstrahlt, die mit dem Meerkat-Teleskopverbund in Südafrika gemessen werden.
Die Analyse ergab, dass dieser Pulsar ein weiteres Objekt umrundet, das mit 2,1 bis 2,7 Sonnenmassen ebenfalls in die „Lücke“ hineinreicht, wie das Team in „Science“ berichtete. Ein gewöhnlicher Stern ist es nicht, denn weder auf Bildern des „Hubble“-Teleskops noch in den Radiosignalen des Pulsars war ein Hinweis darauf zu erkennen. Sie wären vom mutmaßlichen Sternenwind verändert worden, was die Messungen aber nicht erkennen lassen. Daher vermuten die Forscher auch hier einen kompakten Überrest eines Sterns: entweder einen außergewöhnlich schweren Neutronenstern oder ein außergewöhnlich leichtes schwarzes Loch.
Da die Massen unbekannter Objekte oft nicht genau zu bestimmen sind und größer oder kleiner ausfallen können, gibt es weitere Kandidaten, die mit ihrer Masse zumindest in die Lücke hineinragen. Sehr wahrscheinlich werden es mit weiteren astronomischen Beobachtungen noch mehr Objekte werden, mit denen sich die Forscher herumärgern müssen. Die bisherigen Annahmen würden in jedem Fall infrage gestellt.
Unübliche Verdächtige
„Der Begriff der Massenlücke bedeutet nicht, dass dort gar nichts existiert, sondern dass es sehr schwierig ist, dort hineinzufallen“, sagt Tim Dietrich von der Universität Potsdam und dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Bei den Neutronensternen sieht er wenig Spielraum für schwerere Objekte. „Ein rotierender kann etwas mehr Masse haben als ein ruhender, aber bis 2,7 Sonnenmassen, das ist sehr unwahrscheinlich.“
Damit kommen als nächstes schwarze Löcher infrage, vor allem im oberen Teil der Massenlücke. Nach Dietrichs Einschätzung könnten solche Objekte durchaus unter der Grenze von fünf Sonnenmassen liegen, das hinge von ihrer Entstehung ab.
„Denkbar wäre, dass zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen, zu einem relativ leichten schwarzen Loch“, sagt der Forscher. Dafür müssten die Voraussetzungen aber sehr günstig sein. „Man braucht zwei Neutronensterne, die sich nahe genug sind, um sich zu finden, und dann verschmelzen – das dürfte nur sehr selten gelingen.“
Eine weitere Option sind sogenannte primordiale schwarze Löcher, die sich bereits vor der Entstehung der ersten Sterne bildeten. „Die könnten gemäß einiger Theorien eine passende Masse haben, doch bisher gibt es keinen Nachweis, dass es diese Objekte wirklich gibt.“ Es gebe noch andere hypothetische Objekte, über die diskutiert werde, beispielsweise Bosonensterne oder Gravasterne.
Ob bei GW230529 und PSR J0514-4002E tatsächlich solche Exoten im Spiel sind, ist fraglich. „Wir sollten uns zunächst mit dem Bekannten, also Neutronensternen und schwarzen Löchern, befassen“, meint der Potsdamer Wissenschaftler.
Verzerrung der Raumzeit
Er hofft, dass er und seine Kollegen noch weitere solcher Verschmelzungs-Ereignisse registrieren, möglichst in kosmischer Nähe. Das würde erlauben, sie präziser zu messen und sie mit zusätzlichen Teleskopen nachzuverfolgen. Wenn nämlich mindestens ein Neutronenstern beteiligt wäre, würden neben Gravitationswellen auch elektromagnetische Signale von Gamma- bis Radiostrahlung ausgesendet und weitere Hinweise auf die Ursprungsobjekte liefern.
Paulo Freire vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn setzt auf verbesserte Radioteleskope, um mehr über die seltsamen Objekte zu erfahren. Für PSR J0514-4002E könnten die Masse der beiden „Tanzpartner“ sowie weitere Eigenschaften wie ihre Rotation noch genauer bestimmt werden.
„Sollte es sich bei dem rätselhaften Objekt um einen Neutronenstern handeln, wird das unser Verständnis vom Zustand der Materie bei diesen unglaublichen Dichten grundlegend ändern“, sagt er. Schließlich sind die gut zwei Sonnenmassen in einer Kugel mit rund 24 Kilometern Durchmesser zusammengepfercht. Zum Vergleich: Die Sonne hat einen Durchmesser von knapp 1,4 Millionen Kilometern.
Ein schwarzes Loch wäre ihm freilich lieber, weil Astrophysiker seit Langem nach einem solchen binären System suchen, in dem ein Pulsar – der ja bereits bestätigt ist – sowie ein schwarzes Loch einander umkreisen. Denn der extrem regelmäßig funkende Pulsar ist ein hervorragendes Messobjekt: Seine Signale verändern sich auf seinem Weg um das schwarze Loch herum. „Wir können damit die Verzerrung der Raumzeit nachvollziehen“, sagt Freire.
Bei anderen Schwerkraftriesen wurde das bereits anhand von Sternenbewegungen gemacht. „Die Signale von Pulsaren sind aber so präzise, dass wir die Genauigkeit um etwa den Faktor eine Million steigern können.“ Genau das wollen die Bonner Radioastronomen bei PSR J0514-4002E versuchen. Sollte sich der geheimnisvolle Begleiter als leichtes schwarzes Loch erweisen, möchten Freire und Kollegen anhand der Pulsardaten herausfinden, wie dieses seine Umgebung im Detail beeinflusst, und so weitere Eigenschaften des – bislang unsichtbaren – Objekts ermitteln.
- showPaywall:
- false
- isSubscriber:
- true
- isPaid:
- true
- showPaywallPiano:
- false