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Pulsare setzen erstmals Massengrenzen für frühe Schwarzer-Loch-Paare
Schon im jungen Universum existierten Schwarze Löcher mit Milliarden Sonnenmassen, doch ihr rasches Wachstum ist ungeklärt. Eine neue Auswertung langjähriger Pulsarbeobachtungen setzt erstmals Massengrenzen für mögliche Paare solcher Giganten in der kosmischen Frühzeit. Ein einzelnes Paar wurde dabei nicht nachgewiesen, aber die Gravitationswellensuche reicht nun in wesentlich frühere Epochen.
Zhuhai (China). Weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gab es bereits Schwarze Löcher, die Milliarden Sonnenmassen auf sich vereinten. Wie diese Objekte in so kurzer Zeit entstehen und anwachsen konnten, ist eine offene Frage der Astronomie. Ein möglicher Weg wäre, dass frühe Schwarze Löcher miteinander verschmolzen.
Solche Paare bewegen sich auf gemeinsamen Bahnen und erzeugen dabei extrem langwellige Schwingungen der Raumzeit. Für ihre Suche werden regelmäßige Radiopulse von Neutronensternen als natürliche Uhren genutzt. Eine vorbeiziehende Gravitationswelle verändert die Ankunftszeiten der Signale geringfügig und könnte so ein weit entferntes Paar verraten.
Forscher der Beijing Normal University (BNU) um Prof. Xingjiang Zhu haben dafür Beobachtungen des Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) neu ausgewertet. Die dritte Datenveröffentlichung umfasst rund 18 Jahre und 32 Millisekundenpulsare, von denen 30 für die Suche nach Gravitationswellen berücksichtigt wurden.
Entscheidend ist eine neue Berücksichtigung der kosmologischen Rotverschiebung, die die Wellen während ihrer Ausbreitung verändert. Bisherige Suchen nach kontinuierlichen Signalen einzelner Schwarzer-Loch-Paare vernachlässigten diesen Effekt weitgehend und waren deshalb vor allem auf das vergleichsweise nahe Universum ausgerichtet.
Das Team richtete die Auswertung auf zwei besonders ferne und bereits aus anderen Beobachtungen bekannte Objekte. Der leuchtkräftige Quasar J0100+2802 stammt aus einer Zeit rund 870 Millionen Jahre nach dem Urknall und beherbergt ein auf etwa zwölf Milliarden Sonnenmassen geschätztes Schwarzes Loch. Die Galaxie JADES-GS-z14-0 wurde bereits rund 290 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtet.
Aus den Pulsardaten ergab sich in keiner der beiden Himmelsrichtungen ein eindeutiges Gravitationswellensignal eines einzelnen Paares. Für die betrachteten Frequenzen lassen sich aber hypothetische Doppel-Schwarze-Löcher mit einer sogenannten Chirp-Masse von etwa zehn Milliarden Sonnenmassen oder mehr ausschließen. Diese aus beiden Einzelmassen berechnete Größe bestimmt die Stärke des Gravitationswellensignals und entspricht nicht einfach der Gesamtmasse.
Damit liegen erstmals direkte beobachtungsbasierte Massengrenzen für extrem schwere Schwarze-Loch-Paare aus dieser frühen Epoche vor. Die Empfindlichkeit reicht jedoch noch nicht aus, um festzustellen, ob der Quasar tatsächlich ein Doppelobjekt enthält. Für die wesentlich fernere Galaxie liegt die zu erwartende Masse eines möglichen zentralen Schwarzen Lochs ebenfalls weit unter den derzeitigen Nachweisgrenzen.
Die verbesserte Reichweite beruht auf einem zunächst widersprüchlich wirkenden Effekt der Expansion des Universums. Ein heute bei einer bestimmten Frequenz empfangenes Signal wurde in großer Entfernung ursprünglich bei höherer Frequenz ausgesandt, als sich die beiden Schwarzen Löcher bereits enger umkreisten. In dieser Phase senden sie stärkere Gravitationswellen aus.
Laut dem Modell kann dieser Zuwachs die Abschwächung durch die große Entfernung teilweise übertreffen. Die abgeleitete Empfindlichkeit nimmt deshalb mit wachsender Rotverschiebung nicht durchgehend ab. Für bestimmte besonders massereiche Paare könnte die Suche im sehr frühen Kosmos somit ähnlich empfindlich sein wie in weniger weit entfernten Regionen.