Gravitationswellen: Verschmelzten schwarze Löcher aus einem einzelnen Stern?

Könnte ein einzelner, sterbender Stern nicht ein, sondern zwei schwarze Löcher gebären? Fremde Dinge sind im Weltraum passiert.

Vor etwa 1,3 Milliarden Jahren verschmolzen zwei schwarze Löcher zu einem und erzeugten Wellen in der Raumzeit, die als Gravitationswellen bekannt sind. Diese Wellen wurden von Detektoren auf der Erde aufgezeichnet, kündigten Wissenschaftler am 11. Februar an - das erste Mal, dass Gravitationswellen jemals direkt entdeckt wurden, was eine bedeutende Errungenschaft für Physik und Astronomie darstellt.

Wissenschaftler haben lange unterschiedliche Vorstellungen darüber gehabt, wie Schwarze Löcher dieser Größe nahe genug kommen, um zu kollidieren, aber ein anderer Vorschlag ist gerade in den Ring gekommen: Die schwarzen Löcher wurden kurz vor ihrer Kollision von einem massiven Stern erzeugt, als er einbrach auf sich selbst. [No Escape: Tauchen Sie in ein Schwarzes Loch (Infografik)]

Diese neue Hypothese postuliert, dass die Verschmelzung dieser beiden Schwarzen Löcher Licht erzeugen würde - möglicherweise auch einen Ausbruch von Gammastrahlen, der energiereichsten Form von Licht. Diese Möglichkeit wird nun von Wissenschaftlern untersucht, die die historische Gravitationswellendetektion auf vielfältige Weise verfolgen.

Aus einem Stern zwei schwarze Löcher machen

"Es ist das kosmische Äquivalent einer schwangeren Frau, die Zwillinge in ihrem Bauch trägt", sagte der Astrophysiker Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Zentrum für Astrophysik (CfA) in einer Erklärung über seinen Vorschlag, dass sich aus dem Schwarzen Loch zwei Schwarze Löcher bilden könnten derselbe sterbende Stern.

Der innere Ofen eines massereichen Sterns wird durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium angetrieben, aber selbst Sternen wird irgendwann der Brennstoff ausgehen. Wenn ein massereicher Stern (Dutzende Male größer als die Sonne) das Ende seiner Ressourcen erreicht, wird er als Supernova explodieren. Da kein Motor das restliche Material des Sterns nach außen drückt, wird diese Materie zu einem superdichten, übriggebliebenen Nugget zusammenbrechen. Manchmal bildet dieser Zusammenbruch ein schwarzes Loch.

Aber Loebs neues Papier, das zur Veröffentlichung in The Astrophysical Journal Letters angenommen wurde, zeigt, dass das einfallende Material sich in eine Kurzhantel-Konfiguration aufteilen und zwei schwarze Löcher erzeugen könnte, wenn der Stern extrem schnell dreht, wenn er kollabiert.

Es war Albert Einstein, der zum ersten Mal vorhersagte, dass Raum und Zeit zusammen ein kosmisches Gewebe bilden und dass zwei schwarze Löcher, die sich umeinander drehen und verschmelzen, nicht nur diesen Stoff verbiegen, sondern auch Wellen durch ihn schicken würden.

Seit Jahrzehnten haben Wissenschaftler versucht, diese Wellen direkt zu entdecken, aber das erste Team, das erfolgreich war, war die Laser Interferometer Gravitationswellen Observatorium (LIGO) Gruppe, die große Detektoren in Hanford, Washington und Livingston, Louisiana verwendet. Beide Detektoren haben das Gravitationswellensignal im September 2015 entdeckt, und das LIGO-Team hat den Fund fünf Monate lang überprüft, bevor er ihn der Welt verkündete.

Loeb sagte ProfoundSpace.org in einer E-Mail, dass Forscher den Hantelprozess in anderen Kontexten untersucht haben. Dazu gehört auch die Sternentstehung, bei der eine Staubwolke zu einem Stern kollabieren könnte, der sich schnell genug drehen könnte, um sich in zwei neue Sterne zu teilen.

"Ich hatte diese Idee in meinem Kopf seit etwa einem Jahrzehnt", sagte Loeb. Aber er sagte, es sei die Ankündigung des Schwarzen Lochs vom 11. Februar gewesen, die ihn dazu inspirierte, die Hypothese auf Papier zu bringen - das und die mögliche Entdeckung eines hellen Lichtblitzes aus derselben Region des Himmels.

Ein Lichtblitz am Himmel

Wenn sie ihrem Namen gerecht werden, strahlen schwarze Löcher kein Licht aus. Viele schwarze Löcher können jedoch "gesehen" werden, weil sie von Material umgeben sind, das durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs beschleunigt und erhitzt wird, wodurch die Materie Licht emittiert.

Aber zwei schwarze Löcher mit Massen, die ein paar Dutzend Mal so groß sind wie die der Sonne, werden nicht von Material umgeben sein, da sie sich gegenseitig umkreisen und schließlich kollidieren.

Loebs Hypothese bietet einen möglichen Fall, in dem die zwei schwarzen Löcher einen Gammastrahlenausbruch freisetzen könnten. Gammastrahlen sind die energiereichste Form von Licht, und Gammastrahlenausbrüche werden durch sehr energiereiche Ereignisse verursacht. Die Explosionen können auftreten, wenn ein einzelner Stern in ein schwarzes Loch kollabiert, sagte Loeb.

"Um einen Gammastrahlenausbruch zu erzeugen, muss man jede Sekunde ein Schwarzes Loch mit einer enormen Geschwindigkeit zwischen der Masse eines Planeten und der Masse der Sonne füttern", sagte Loeb zu ProfoundSpace.org. Wenn ein Stern in ein schwarzes Loch zu kollabieren beginnt, kann der "Einfall von Materie" zur Erzeugung eines Strahls führen, der ein Loch durch die Hülle eines Sterns bohrt und einen Gammastrahlenblitz für einen Beobachter erzeugt, der gerade darin liegt seine Richtung. "

Unter der Annahme, dass sich der sterbende Stern in zwei schwarze Löcher teilen könnte, folgt daraus, dass ein solcher Stern auch einen Gammastrahlenausbruch erzeugen könnte. Glücklicherweise schaute ein Gammastrahlenteleskop gleichzeitig in den Himmel, als LIGO die Kollision mit dem Schwarzen Loch entdeckte.

Wissenschaftler mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA kündigten an, dass das weltraumgestützte Observatorium einen Blitz von Gammastrahlenlicht "in derselben Himmelsregion" wie die LIGO-Detektion gesehen hat, nur 0,4 Sekunden nachdem LIGO sein Signal entdeckt hat. Fermi-Wissenschaftler arbeiten immer noch daran, zu bestätigen, ob das Signal echt war oder ob es sich um einen falschen Alarm im Detektor handelte. [Rekordbrechender Gammastrahlenausbruch durch Fermi (Video)]

"Ich denke, dass die Fermi / GBM-Erkennung unwahrscheinlich real ist (es gibt eine Vielzahl von Einwänden in der Gemeinschaft)", sagte Edo Berger, Professor für Astronomie an der Harvard University, in einer E-Mail an ProfoundSpace.org.

"Dies bedeutet nicht, dass Avis Papier falsch ist (da es nur ein theoretisches Modell ist)", fügte Berger hinzu. "Aber jetzt gibt es keine spezifischen Tests des vorgeschlagenen Modells. Ob der Prozess, den er vorschlägt, tatsächlich in der Natur geschieht, bleibt mit zukünftigen Beobachtungen zu sehen.Glücklicherweise werden LIGO und Virgo viel mehr dieser binären Black-Hole-Merger finden, wenn sie sich für den nächsten Wissenschaftslauf einschalten. "

Virgo ist eine Einrichtung in Italien, die sich bald den LIGO-Detektoren auf der Suche nach Gravitationswellen anschließen wird.

Und selbst wenn die Fermi-Erkennung real war, gibt es immer noch die Frage, ob der Gammastrahlenausbruch von der Black-Hole-Fusion kam oder nicht. LIGO kann derzeit den Standort des Zusammenschlusses nur auf einen 600 Quadratkilometer großen Himmelsbereich eingrenzen. (Der Vollmond bedeckt 0,2 Quadratgrad des Himmels).

"Ich bin ziemlich zweifelhaft, dass der Fermi-Bericht tatsächlich mit der Quelle der [Gravitationswelle] in Verbindung gebracht wird, er ist von relativ geringer statistischer Signifikanz und das mit der [Gravitationswellen-] Quelle verbundene Himmelsfeld ist riesig", Vicky Kalogera, ein schwarzes Loch Wissenschaftler an der Northwestern University in Illinois und ein Mitglied des LIGO-Teams, sagte Profoundspace.org in einer E-Mail.

Schwarze Löcher sind so bizarr, sie klingen unwirklich. Doch Astronomen haben gute Beweise dafür gefunden, dass sie existieren. Testen Sie Ihr Wissen über diese verrückten Wunder.

Kalogera fragte sich auch, warum nur Gammastrahlen entdeckt würden, wenn die Fusion mit dem Schwarzen Loch Licht brächte, sagte sie. Andere Instrumente, die in verschiedenen Wellenlängen suchen, haben kein Signal zur selben Zeit wie die Gravitationswellendetektion gesehen.

Es besteht immer noch die Möglichkeit, dass das Fermi-Signal echt war und dass es tatsächlich von der Kollision mit dem Schwarzen Loch kam. Aber selbst wenn dieses spezielle Black-Hole-Ereignis kein Beispiel für Loebs Hantel-Hypothese war, sagte er, dass es andere Ereignisse geben könnte, die LIGO in der Zukunft mit zwei schwarzen Löchern, die von der gleichen stellaren Mutter geboren wurden, entdeckt.

[Anmerkung der Redaktion, 26. Februar 2016: Es sieht immer mehr so ‚Äč‚Äčaus, als sei die Fermi-Erkennung ein Fehlalarm. Wenn das Signal echt wäre, hätte das INTEGRAL Gammastrahlenobservatorium es ebenfalls erkennen müssen. Die Zusammenarbeit hat jedoch berichtet, dass dies nicht der Fall war.]

[Anmerkung der Redaktion, 19. April 2016: Die Handlung verdichtet sich. Die Fermi-Kollaboration hat eine Veröffentlichung über das Signal, das es entdeckt hat, und die Wahrscheinlichkeit, dass es mit dem Gravitationswellenereignis assoziiert war, veröffentlicht. Lesen Sie mehr darüber hier.]