gov-civil-vilareal.ptRaumzeit erschüttert: Astronomen sehen zum ersten Mal ein Schwarzes Loch, das einen Neutronenstern frisst
>Zum ersten Mal haben Astronomen entdeckt, dass das gruseligste Ding im Universum das zweitbeängstigendste frisst: Ein Schwarzes Loch, das einen Neutronenstern verschlingt.
Dies ist gleichzeitig eines der coolsten und gruseligsten Forschungsergebnisse, über die ich je geschrieben habe. Eine Verschmelzung dieser beiden dichtesten Objekttypen im Universum erzeugt ein kolossal Explosion, aber eine, die völlig dunkel ist. Der einzige Weg, wie es entdeckt wurde, weil es buchstäblich das Gewebe der Raumzeit erschütterte .
Noch besser? Nur zehn Tage später entdeckten Astronomen einen zweiten.
Die furchterregenden Ereignisse wurden gefunden von die LIGO-Virgo-Kollaboration , Einrichtungen zur Erkennung Gravitationswellen , tatsächliche Wellen im Gefüge der Raumzeit. Einstein sagte voraus, dass diese Wellen von jeder beschleunigten Masse erzeugt werden würden, aber sie haben eine zu geringe Amplitude und sind zu matschig, um sie zu erkennen, es sei denn, das Objekt ist massiv, dicht und stark beschleunigt.
Sprich mit dem Universum
Wenn Schwarze Löcher oder Neutronensterne jedoch verschmelzen, werden Objekte, die nur wenige Kilometer groß sind, aber so massereich wie Sterne sind, mit seelenvernichtenden Geschwindigkeiten umeinander beschleunigt, genug, um scharfe Gravitationswellen zu erzeugen. Diese Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen aus, werden aber mit zunehmender Entfernung schwächer. Wir können sie aus Hunderten von Millionen oder Milliarden von Lichtjahren Entfernung erkennen, aber bis dahin sind sie so stark geschwächt, dass die Dehnung der Raumzeit extrem klein ist, weshalb sie vor einem Jahrhundert vorhergesagt wurden, aber erst 2015 direkt entdeckt wurden ( Details zu dieser ersten bedeutsamen Entdeckung und wie das alles funktioniert, habe ich in einem Artikel aus dieser Zeit).
Kunstwerk, das die Verschmelzung eines Neutronensterns (rechts) mit einem Schwarzen Loch (links) darstellt. Kredit: Carl Knox (OzGrav)
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Seitdem wurden Dutzende von Ereignissen beobachtet, hauptsächlich Verschmelzungen von Paaren Schwarzer Löcher, obwohl auch Neutronensternverschmelzungen zweimal beobachtet wurden. Bis jetzt wurde jedoch noch nie gesehen, dass Schwarze Löcher einen Neutronenstern fressen – tatsächlich wurde noch nie ein Doppelsystem aus Schwarzem Loch/Neutronenstern in unserer Galaxie entdeckt!
Die Ereignisse wurden am 5. Januar 2020 und 15. Januar 2020 erkannt und heißen GW200105_162426 bzw. GW200115_042309 ( GW für Gravitationswellen, und dann sind die Zahlen für das Datum und die Uhrzeit, zu der sie entdeckt wurden). Der erste (nennen wir ihn GW200105) war ein starkes Signal, das aber nur in einem von drei Detektoren deutlich zu sehen war (ein zweiter war zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet und wurde im dritten nur schwach gesehen). Der zweite (GW200115) wurde in allen dreien gesehen*.
Wenn eine Gravitationswelle die Erde durchquert, sagen uns Form und Stärke der Wellen viel über das System aus, das sie erzeugt hat. Beide Ereignisse waren statistisch signifikant (was bedeutet, dass Astronomen glauben, dass sie real sind) und in beiden Fällen waren die Massen der beiden verschmelzenden Objekte ziemlich gering.
Ein Neutronenstern ist unglaublich klein und dicht und packt die Masse der Sonne zu einer Kugel von nur wenigen Kilometern Durchmesser. Dieses Kunstwerk zeigt einen im Vergleich zu Manhattan. Kredit: Goddard Space Flight Center der NASA
Die beiden Komponenten, die in GW200105 zusammengeführt wurden, hatten Massen von 8,9- bzw. 1,9-facher Sonnenmasse (mit Unsicherheiten von etwa 1,3- bzw. 0,3-facher Sonnenmasse). Die erste Komponente befindet sich weit im Gebiet der Schwarzen Löcher – Die minimale Masse für diese Art von Schwarzen Löchern beträgt unserer Meinung nach etwa das 2,8-fache der Sonnenmasse . Der zweite liegt jedoch unter dieser Grenze, also mit ziemlicher Sicherheit ein Neutronenstern : Das unglaublich dichter Kern eines massereichen Sterns, nachdem der Stern als Supernova explodiert ist. Eine Neutroniumkugel (wie diese Materie genannt wird) von der Größe eines Kaugummis würde so viel wiegen wie jeder einzelne Mensch auf der Erde zusammengenommen .
Das gleiche gilt für das zweite Ereignis, GW 200115: Die Massen sind 5,7 (±2 oder so) und 1,5 (±0,5) mal so groß wie die der Sonne. Also wieder ziemlich eindeutig ein Schwarzes Loch und ein Neutronenstern.
Beide Systeme begannen ihr Leben als zwei normale, aber massereiche Sterne, die sich gegenseitig umkreisten. Einer war wahrscheinlich 20-mal so groß wie die Masse der Sonne. Sein Kernbrennstoff war schnell verbraucht, wahrscheinlich in nur wenigen Millionen Jahren. Es schwoll dann zu einem roten Überriesenstern an (wie Antares oder Beteigeuze). Er war so groß, dass er den Begleitstern wahrscheinlich kurzzeitig oder fast verschlungen hat, und dieser zweite Stern hätte viel Masse vom ersten Stern abgezogen und sich selbst massereicher gemacht.
Dann explodierte der erste Stern und bildete ein Schwarzes Loch. Schließlich explodierte auch der zweite Stern und bildete einen Neutronenstern (oder, abhängig von den Anfangsmassen und wie schnell ein Material an das andere verloren ging, hätte es umgekehrt sein können). So oder so, was übrig blieb, war ein Neutronenstern, der ein Schwarzes Loch umkreiste.
Wenn ein dritter Stern im System gewesen wäre, hätte er die beiden aus dem Gleichgewicht gebracht und sie näher zusammen umkreisen lassen. Oder es ist möglich, dass die beiden über Milliarden von Jahren auf ihrer Umlaufbahn schwache Gravitationswellen aussendeten, Energie verloren und sich langsam spiralförmig zusammen bewegten. So oder so, schließlich kamen sie sich nahe genug und BANG. Das Schwarze Loch hat den Neutronenstern verschluckt.
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Übrigens, wenn Sie neugierig sind: Was nach diesem Ereignis übrig bleibt, ist ein massereicheres und größeres Schwarzes Loch. Das ist Teil der ganzen Sache eines Schwarzen Lochs: Fallen Sie hinein, und Sie sind jetzt ein Teil des Schwarzen Lochs.
Die Orbitalenergie eines solchen Systems kurz vor diesem letzten Moment ist schwer zu ergründen. Zwei Objekte mit der mehrfachen Sonnenmasse wirbeln umeinander fast mit Lichtgeschwindigkeit. Diese Energie muss irgendwohin gehen, wenn die beiden verschmelzen. Wo es hingeht, ist das Schütteln der Raumzeit.
Dabei wird ein Teil der Masse des Systems direkt in die Energie von Gravitationswellen umgewandelt. Das ist eine immense Energiemenge. In diesen beiden neuen Fällen wurde etwa die Hälfte der Sonnenmasse in Energie umgewandelt. Wohlgemerkt, dies geschieht über die Gleichung E=mc^2, und die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat ist eine sehr, sehr große Zahl. Die letzten Momente dauerten nur wenige Sekunden, aber die erzeugte Energiemenge betrug ungefähr 1 00 Trillionen mal die Gesamtleuchtkraft der Sonne (10zwanzig) in der gleichen Zeit!
Dennoch war es mit ziemlicher Sicherheit völlig dunkel. Es wurde überhaupt kein Licht emittiert (zumindest wurde kein Blitz von irgendwelchen Teleskopen gesehen, und keiner wurde unbedingt erwartet). Die gesamte Energie ging in Gravitationswellen über. Beide Ereignisse waren ungefähr eine Milliarde Lichtjahre entfernt, und über diese riesige Entfernung schwächten sich die Signale enorm ab. Als sie hier ankamen, waren sie kaum noch ein Flüstern. Um ehrlich zu sein, würde ein Flüstern in der Nähe der Detektoren ein viel größeres Signal verursachen als diese Ereignisse.
Fusionen wie diese sind wichtig, weil wir nicht wirklich verstehen, wie ein Schwarzes Loch und ein Neutronensternsystem entstehen oder wie es sich im Laufe der Zeit entwickelt. Allein der Anblick dieser Ereignisse sagt uns, dass diese binären Systeme existieren – ein guter Anfang – und auch, wie oft sie in unserem lokalen Raumvolumen vorkommen (von diesen würden wir erwarten, dass es ungefähr jede Woche eine Fusion innerhalb von 2 Milliarden Lichtjahren von uns gibt). Wenn mehr entdeckt werden, wird es Astronomen helfen, herauszufinden, wie sich diese massereichen stellaren Doppelsterne verhalten.
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Was großartig ist! Solange sie weit weg sind. Solche Ereignisse sind für mich in Ordnung, wenn sie in einer anderen Galaxie stattfinden. Noch ein näheres wäre cool, um ein besseres Signal zu bekommen und es besser analysieren zu können. Aber wenn ein kosmisches Monster ein anderes frisst, so erstaunlich und cool es auch ist, ich finde es macht mir nichts aus, einen Sitz mit Nasenbluten zu haben.
* Im Jahr 2019 wurde ein ähnliches Ereignis entdeckt, bei dem ein massereiches Schwarzes Loch mit einem wahrscheinlich sehr massearmen Schwarzen Loch verschmolz. Es ist möglich, dass das zweite Objekt ein extrem massereicher Neutronenstern war, aber ziemlich unwahrscheinlich.
