Schwarzes Loch verschlingt Neutronenstern auf ungewöhnlicher Bahn

Gravitationswellen erlauben es Astronominnen und Astronomen, kosmische Kollisionen zu untersuchen, die sonst unsichtbar bleiben. Eine neue Analyse eines bereits bekannten Ereignisses zeigt nun jedoch etwas Unerwartetes: Ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch kollidierten offenbar auf einer deutlich elliptischen Umlaufbahn – ein Hinweis darauf, dass solche Systeme anders entstehen könnten als lange angenommen.

Das internationale Forschungsteam untersuchte das Gravitationswellenereignis GW200105, das am 5. Januar 2020 von den Detektoren LIGO und Virgo registriert wurde. Dabei handelte es sich um die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern, also eines der dichtesten bekannten Objekte im Universum. Die neue Analyse zeigt nun, dass das Paar kurz vor der Kollision eine messbare orbitalen Exzentrizität von etwa 0,145 besaß. Werte unter 0,028 können mit 99,5 Prozent Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden.

Warum die Form der Umlaufbahn entscheidend ist

Die Exzentrizität beschreibt, wie stark eine Umlaufbahn von einer perfekten Kreisbahn abweicht. In der klassischen Theorie der Doppelsternentwicklung verlieren kompakte Systeme über Millionen Jahre Energie durch Gravitationswellen. Dieser Prozess sorgt normalerweise dafür, dass ihre Umlaufbahnen zunehmend kreisförmig werden, lange bevor sie in den empfindlichen Frequenzbereich moderner Detektoren gelangen.

Genau deshalb ist die beobachtete elliptische Bahn bemerkenswert. Sie widerspricht der Erwartung, dass Neutronenstern-Schwarzes-Loch-Paare beim Eintritt in den Messbereich von LIGO und Virgo praktisch kreisförmig sein sollten. Die gemessene Exzentrizität deutet stattdessen darauf hin, dass zumindest einige dieser Systeme unter dynamischeren Bedingungen entstehen.

Hinweise auf eine turbulente Entstehung

Die Forschenden interpretieren die Beobachtung als möglichen Hinweis auf sogenannte dynamische Entstehungskanäle. Dabei bilden sich Doppelobjekte nicht isoliert aus einem einzelnen Sternpaar, sondern durch gravitative Wechselwirkungen in komplexen Umgebungen.

Mögliche Szenarien sind etwa enge Begegnungen in dichten Sternhaufen oder gravitative Wechselwirkungen in hierarchischen Mehrfachsystemen, etwa Dreifachsternsystemen. In solchen Konstellationen kann ein dritter Körper die Umlaufbahn des inneren Systems regelmäßig stören und dessen Exzentrizität erhöhen. Die Studie argumentiert, dass genau solche Prozesse die beobachtete Bahnform erklären könnten.

Neue Analyse verändert auch die Massenabschätzung

Die Berücksichtigung der Exzentrizität beeinflusst auch die rekonstruierten Eigenschaften des Systems. Die neue Auswertung ergibt eine Masse von etwa 11,5 Sonnenmassen für das Schwarze Loch und rund 1,5 Sonnenmassen für den Neutronenstern.

Frühere Analysen hatten das Schwarze Loch etwas leichter und den Neutronenstern schwerer eingeschätzt. Der Unterschied entsteht, weil Modelle ohne Exzentrizität die Parameter eines Systems systematisch verzerren können.

Neue Modelle für präzisere Gravitationswellenanalyse

Der zentrale methodische Fortschritt der Studie liegt in einem neuen Wellenformmodell, das zwei relativistische Effekte gleichzeitig berücksichtigt: die Präzession der Bahn durch Spin-Effekte sowie eine mögliche Exzentrizität. Bisherige Analysen betrachteten diese Effekte meist getrennt oder gingen von nahezu kreisförmigen Bahnen aus.

Die kombinierte Modellierung ermöglicht eine genauere Rekonstruktion der Systemparameter und könnte künftig helfen, weitere exzentrische Verschmelzungen zu identifizieren.

Ein Einzelfall mit großer Bedeutung

Noch handelt es sich um eine einzelne Beobachtung. Dennoch liefert sie einen wichtigen Hinweis darauf, dass ein Teil der Neutronenstern-Schwarzes-Loch-Verschmelzungen auf dynamische Prozesse zurückgehen könnte. Mit der wachsenden Zahl von Gravitationswellendetektionen wird sich künftig genauer bestimmen lassen, wie häufig solche Entstehungswege tatsächlich sind.

Künftige Observatorien – sowohl am Boden als auch im Weltraum – könnten dabei eine entscheidende Rolle spielen. Mit höherer Empfindlichkeit und größeren Ereigniszahlen ließe sich erstmals statistisch untersuchen, welche astrophysikalischen Prozesse die extremsten Kollisionen im Universum hervorbringen.

Interessenkonflikte

Dazu liegen in der Quelle keine Angaben vor.