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Ist das Geheimnis „übergewichtiger“ Schwarzer Löcher gelüftet?
Zu schwer für gewöhnliche Sternreste: Das Gravitationswellensignal GW231123 schien von zwei extrem massereichen Schwarzen Löchern zu stammen. Eine neue Analyse legt nahe, dass eine Gravitationslinse das Signal vergrößert und zugleich gebeugt haben könnte. Dann wäre das verschmolzene System deutlich leichter und weiter entfernt. Ein eindeutiger Linsennachweis ist das Ergebnis aber noch nicht.
Potsdam (Deutschland). Als die beiden LIGO-Detektoren am 23. November 2023 GW231123 registrierten, passte das Signal nur schwer in das übliche Bild Schwarzer Löcher. Unter der Standardauswertung kamen die beiden beteiligten Objekte auf etwa 100 und 140 Sonnenmassen. Zugleich schienen sie ungewöhnlich schnell zu rotieren.
Solche Massen sind mit gängigen Szenarien der Sternentwicklung nur schwer zu erzeugen. Ein Team, das die neue Studie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Potsdam erarbeitete, hat deshalb eine andere Möglichkeit geprüft: Vielleicht sind die Schwarzen Löcher weniger extrem, als ihr Signal zunächst vermuten lässt.
Der Schlüssel ist eine Gravitationslinse. Liegt zwischen Quelle und Erde genügend Masse, kann ihre Schwerkraft den Weg von Licht oder Gravitationswellen verbiegen und das Signal verstärken. Zugleich verschiebt die kosmologische Rotverschiebung die Frequenzen einer weit entfernten Quelle nach unten. Dadurch kann ein Schwarzes-Loch-Paar schwerer erscheinen, als es in seinem eigenen Bezugssystem tatsächlich ist.
„Wie Licht können auch Gravitationswellen von massereichen Objekten abgelenkt, verstärkt und in mehrere Signale aufgespalten werden“, erklärt Miguel Zumalacárregui vom AEI.
Bei GW231123 kommt noch ein zweiter Effekt hinzu. Kleine Massenstrukturen im Bereich einer größeren Linse können das Wellensignal frequenzabhängig beugen. Dabei entstehen Interferenzmuster, die sich nicht allein als gleichmäßige Verstärkung beschreiben lassen. Genau nach solchen Verzerrungen hat das Team in den LIGO-Daten gesucht.
Dazu kombinierten die Forscher erstmals für dieses Ereignis die Beugung an einer kleinen Linse mit der Vergrößerung durch ein übergeordnetes Gravitationsfeld. Ihr Modell beschreibt eine kompakte Linse innerhalb eines größeren Potenzials, wie es etwa eine Galaxie erzeugen kann. So lassen sich Effekte auf zwei sehr unterschiedlichen Größenskalen gemeinsam an das gemessene Signal anpassen.
„Wenn wir dieses externe Potenzial einbeziehen, können wir die kleinräumige Beugung und die großräumige Vergrößerung in einem gemeinsamen Modell beschreiben“, erklärt Héctor Villarrubia-Rojo von der Universidad Complutense in Madrid.
In dieser Analyse wird die Linseninterpretation gegenüber dem ungelinsten Modell bevorzugt. Die Autoren schätzen für die beobachtete Stärke ihres statistischen Vergleichs eine Fehlalarmwahrscheinlichkeit von unter einem Prozent, entsprechend ungefähr 2,6 Sigma. Die Autoren werten das als auffälligen Hinweis, aber nicht als eindeutigen Nachweis.
Mit der Linse verschiebt sich auch das Bild der Quelle. Statt einer Gesamtmasse von 190 bis 265 Sonnenmassen ergibt die Modellierung für das verschmelzende Paar etwa 100 bis 180 Sonnenmassen. Zugleich verschwinden die zuvor nötigen besonders hohen Eigendrehungen und ein Teil der Unterschiede zwischen verschiedenen Wellenformmodellen.