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Gravitationswellen helfen, Schwarze Löcher von Bosonensternen zu unterscheiden
Ein besonders klares Gravitationswellensignal erlaubt einen neuen Blick auf die Natur schnell rotierender kompakter Objekte. Die Analyse von GW241011 schließt für das massereichere Objekt eine große Klasse rotierender Bosonensterne aus, lässt aber sehr kompakte exotische Alternativen weiterhin zu und beweist deshalb nicht, dass das Objekt zwingend ein Schwarzes Loch war.
Toronto (Kanada). Rotierende astrophysikalische Schwarze Löcher werden im Kerr-Modell im Wesentlichen durch Masse und Drehimpuls beschrieben, doch theoretisch könnten andere extrem dichte Objekte ihre Gravitationswellensignale nachahmen. Solche exotischen kompakten Objekte hätten keinen gewöhnlichen Ereignishorizont und könnten dennoch bei einer Verschmelzung zunächst ähnlich aussehen wie Schwarze Löcher.
Eine mögliche Unterscheidung liefert die Form, denn schnelle Rotation verformt ein kompaktes Objekt und hinterlässt über das sogenannte spininduzierte Quadrupolmoment eine messbare Spur im Gravitationswellensignal. Bei einem rotierenden Kerr-Schwarzen Loch ist dieses Moment durch Masse und Spin eindeutig festgelegt, während exotische Modelle abweichende Werte erlauben und sich damit an den Daten testen lassen.
Forscher der University of Birmingham um Dr. Krishnendu Naderi Varium haben diese Spur nun für GW241011 ausgewertet. Das im Oktober 2024 registrierte System enthielt ein massereicheres Objekt von rund 19,6 Sonnenmassen, dessen dimensionsloser Spin bei etwa 0,78 lag. Zusammen mit dem starken Signal und dem ungleichen Massenverhältnis begrenzt das die mögliche rotationsbedingte Verformung besonders eng.
„Wenn sich ein Objekt schnell dreht, wölbt es sich am Äquator. Wie stark diese Wölbung ist, hängt vollständig davon ab, woraus es besteht“, erklärt Dr. Aditya Vijaykumar vom Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA).
Für die Analyse nutzte das Team eine Wellenformbeschreibung, in der die Forscher Abweichungen vom Kerr-Wert des spininduzierten Quadrupolmoments ausdrücklich zulassen und die Daten mit Bayes-Methoden auswerten. Dabei zeigte sich, dass der entsprechende Parameter des massereicheren Objekts deutlich eingegrenzt ist, während sich derselbe Effekt für den leichteren Partner nicht sinnvoll bestimmen lässt.
„Das Signal ist stark genug, um sich klar gegen verschiedene Rauschquellen abzuheben“, erklärt Dr. Tamara Evstafyeva vom Perimeter Institute for Theoretical Physics.
Besonders deutlich ist das Ergebnis für rotierende Bosonensterne mit einer abstoßenden quartischen Selbstwechselwirkung, deren Masse und Spin grundsätzlich zu GW241011 passen könnten. Für diese Modelle sagt die Theorie eine stärkere rotationsbedingte Verformung voraus als beobachtet, weshalb diese Klasse das massereichere Objekt des Ereignisses nach der neuen Analyse nicht erklären kann.
Die Messung grenzt auch andere exotische Modelle ein, schließt sie aber nicht pauschal aus, denn sehr kompakte solitonische und axionische Bosonensterne bleiben in Teilen ihres Parameterraums mit den Daten vereinbar. Bei einem zusätzlich untersuchten Modell exotischer Flüssigkeitssterne waren nur Konfigurationen mit einer Kompaktheit von ungefähr 0,24 oder mehr mit GW241011 verträglich.
„Indem wir diesen Effekt messen, können wir erkennen, ob der Vorläufer ein Schwarzes Loch oder vielleicht etwas anderes ist“, sagt Dr. Tamara Evstafyeva.