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Schwarze Löcher verraten womöglich einen stillen Sternentod
Stiller Sternentod: Manche massereichen Sterne könnten direkt zu Schwarzen Löchern kollabieren, ohne als Supernova aufzuflammen. Dafür sprechen neue Analysen der Gravitationswellen verschmelzender Schwarzer Löcher: Bei rund zehn Sonnenmassen häufen sich die Schwergewichte, während etwas massereichere Exemplare selten sind. Noch ist der vermutete Zusammenhang allerdings nicht bewiesen.
Pasadena (U.S.A.). Am Ende ihres Lebens explodieren viele massereiche Sterne als Supernova, wobei sie einen Großteil ihrer Hülle ins All schleudern. Doch theoretisch könnte ihr Inneres auch direkt in sich zusammenstürzen, ohne dass eine helle Explosion zu sehen ist. Solche Fehlschläge würden Schwarze Löcher hinterlassen, ließen sich aber anhand ihres Lichts nur schwer aufspüren.
Eine mögliche Spur liefern Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstehen. Aus ihren Signalen lassen sich unter anderem die Massen der beiden Partner erschließen. Die Häufigkeit unterschiedlicher Massen könnte deshalb verraten, ob einige Schwarze Löcher auf einem besonderen Entstehungsweg geboren werden.
Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign um Isaac Legred haben dafür Gravitationswellendaten des Netzwerks LIGO, Virgo und KAGRA statistisch ausgewertet. Die Hauptanalyse beruht auf 153 Verschmelzungen aus dem Katalog GWTC-4.0. Eine zusätzliche Kontrolle anhand von 257 Ereignissen des neueren GWTC-5.0-Katalogs bestätigte die wesentlichen Muster.
Entscheidend war jeweils die Masse des schwereren Schwarzen Lochs im Paar. Dessen Häufigkeitsverteilung zeigt einen ausgeprägten Gipfel nahe zehn Sonnenmassen, dem eine abrupte Abnahme zwischen zwölf und 16 Sonnenmassen folgt. Oberhalb von rund 16 Sonnenmassen steigt die Verschmelzungsrate wieder an.
In der Hauptanalyse fiel die geschätzte Verschmelzungsrate zwischen zehn und etwa 15 Sonnenmassen um rund zwei Größenordnungen, also ungefähr um den Faktor 100. Im dazwischenliegenden Massenbereich war sie auf dem 90-Prozent-Niveau sogar mit null vereinbar. Das bedeutet jedoch nicht, dass dort erwiesenermaßen überhaupt keine Schwarzen Löcher vorkommen.
„Die große Mehrheit der verschmelzenden Schwarzen Löcher im Universum hat etwa die zehnfache Masse unserer Sonne“, erklärt Prof. Katerina Chatziioannou vom California Institute of Technology (Caltech).
Die statistische Auffälligkeit passt zu Simulationen, nach denen manche Sterne mit anfänglich ungefähr zwölf bis vierzehn Sonnenmassen keine erfolgreiche Supernova auslösen. Stattdessen könnte ihr Material weitgehend zu einem Schwarzen Loch von rund zehn Sonnenmassen zusammenstürzen. Eine ausgebliebene Explosion könnte zudem dafür sorgen, dass ein Sternenpaar gebunden bleibt und seine späteren Schwarzen Löcher miteinander verschmelzen.
Im untersuchten Modell bilden solche Objekte eine eigene Gruppe. Rund 76 Prozent der verschmelzenden Paare könnten demnach ein schwereres Schwarzes Loch aus dieser Gruppe enthalten. Auch die Verteilung ihrer Eigendrehungen ist enger als bei massereicheren Schwarzen Löchern, was einen unterschiedlichen Ursprung plausibel macht.
Hier liegt die entscheidende Unsicherheit: Die Daten bevorzugen eine Lücke, erzwingen sie aber keineswegs. Je nach statistischem Modell sprechen die Ergebnisse der Hauptanalyse mit 88 oder nur 61 Prozent Wahrscheinlichkeit für eine Trennung der beiden Massengruppen. Mit dem größeren GWTC-5.0-Katalog lag der entsprechende Wert für eines dieser Modelle bei 85 Prozent.