Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass das größte Schwarze Loch im Universum wahrscheinlich nicht durch den direkten Kollaps eines einzelnen massereichen Sterns entsteht, sondern durch eine Reihe heftiger Verschmelzungen „Schicht für Schicht“ tief in extrem dicht besiedelten Sternhaufen entsteht. Diese von der Universität Cardiff im Vereinigten Königreich durchgeführte Studie wies darauf hin, dass die schwersten Schwarzen Löcher in astronomischen Gravitationswellenbeobachtungen zu einer unabhängigen Gruppe gehören und ihre Geburtsgeschichte eher einem „Stammbaum der Schwarzen Löcher über mehrere Generationen“ gleicht als dem Ende der Entwicklung gewöhnlicher Sterne.
Das wissenschaftliche Forschungsteam analysierte systematisch die vierte Auflage des von der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration veröffentlichten Gravitational Wave Transient Catalogue (GWTC-4), der 153 höchst glaubwürdige Ereignisse der Verschmelzung von Schwarzen Löchern enthielt. Besonderes Augenmerk richteten die Forscher auf die massereichsten Schwarzen Löcher in der Probe, um zu testen, ob es sich um Produkte der „zweiten Generation“ oder noch höherer „Generationen“ handelt – das heißt, frühe Schwarze Löcher verschmolzen in dichten Sternhaufen, um massereichere Schwarze Löcher zu erzeugen, und diese Schwarzen Löcher kollidierten und verschmolzen im Laufe der weiteren Evolution erneut und nahmen weiter an Gewicht zu. In dieser Art dichter Sternhaufen kann die räumliche Dichte von Sternen und kompakten Objekten eine Million Mal höher sein als die in der Nähe der Sonne, was eine natürliche Bühne für „serielle Verschmelzungen“ von Schwarzen Löchern darstellt.
Die Forschungsergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe von „Nature Astronomy“ veröffentlicht. Die in der Arbeit angegebenen statistischen Merkmale zeigen, dass die schwerste Gruppe Schwarzer Löcher, die von Gravitationswellen beobachtet wird, offensichtliche Unterschiede in der Masse und Spinverteilung von Schwarzen Löchern aufweist, die durch den Kollaps gewöhnlicher Sterne entstanden sind, und als unabhängige Gruppe betrachtet werden sollte, die durch hierarchische Verschmelzungen geformt wurde. Mit anderen Worten: Gravitationswellen „zählen“ nicht nur Kollisionen von Schwarzen Löchern, sondern beginnen auch aufzudecken, wie und wo Schwarze Löcher wachsen, und schränken umgekehrt die Evolutionstheorie massereicher Sterne und Sternhaufen ein.
Durch detaillierte Modellierung und Analyse von Gravitationswellensignalen trennten die Forscher zwei Hauptpopulationen Schwarzer Löcher in der Probe: Eines ist ein Schwarzes Loch mit geringerer Masse, dessen Eigenschaften im Wesentlichen mit dem traditionellen Sternkollapsmodell übereinstimmen; Das andere ist ein deutlich massereicheres Schwarzes Loch, dessen Spineigenschaften voll und ganz mit den Erwartungen übereinstimmen, die man von mehreren hierarchischen Verschmelzungen in dichten Sternhaufen erwarten kann. Die Untersuchung des Spins hochwertiger Schwarzer Löcher ist besonders wichtig, da die Größe und Richtung des Spins die Verschmelzungsgeschichte seiner Vorgänger-Schwarzen Löcher aufzeichnet.
In der Arbeit wird darauf hingewiesen, dass die Spins hochwertiger Schwarzlochgruppen nicht nur im Allgemeinen schneller sind, sondern auch eine nahezu zufällige Verteilung der Spinrichtungen aufweisen, die sich völlig vom „geordnet ausgerichteten“ Spinzustand in der typischen Entwicklung von Doppelsternen unterscheidet. Dies überraschte das Forschungsteam und erhöhte die Glaubwürdigkeit der „Entstehung dichter Sternhaufen“ erheblich. Im Vergleich zu früheren kleineren und früheren Gravitationswellenkatalogen „springen“ die qualitativ hochwertigen Systeme in dieser Analyse im Parameterraum deutlicher hervor, was die Einschätzung stärkt, dass sie zu einer unabhängigen Gruppe gehören.
Diese Forschung skizziert nicht nur den Wachstumspfad riesiger Schwarzer Löcher, sondern liefert auch einen der bisher stärksten Beobachtungsbeweise für eine langjährige Vorhersage in der Astrophysik – die „Massenlücke“ des Schwarzen Lochs. Die Theorie besagt, dass extrem massereiche Sterne einen heftigen Paarinstabilitätsprozess durchlaufen, bevor sie sterben, heftig explodieren und sich selbst vollständig zerstören, sodass keine Überreste eines Schwarzen Lochs mehr zurückbleiben. Dies bedeutet, dass Sterne innerhalb eines bestimmten Massenbereichs nicht direkt Schwarze Löcher erzeugen sollten, wodurch eine „verbotene Zone“ entsteht.
Anzeichen für diesen Übergang fand das Forscherteam in der Probe: Bei etwa 45 Sonnenmassen veränderte sich die Verteilung der Schwarzen Löcher deutlich. Fabio Antonini, der Hauptautor der Studie, sagte, sie hätten in den Daten Hinweise auf eine seit langem vorhergesagte „Instabilitäts-Massenlücke“ gesehen – einen Massenbereich, in dem Sterne voraussichtlich keine Schwarzen Löcher hinterlassen. Gravitationswellendetektoren haben jedoch erfolgreich Schwarze Löcher in oder in der Nähe dieser Lücke entdeckt, die auf etwa 45 Sonnenmassen konzentriert sind. Dies wirft eine Schlüsselfrage auf: Stellen diese Schwarzen Löcher bestehende Modelle der Sternentwicklung in Frage oder sind sie einfach überhaupt nicht direkt aus einem einzelnen Stern entstanden, sondern werden auf einem anderen Weg „zusammengesetzt“ – durch hierarchische Verschmelzungen?
Untersuchungen zeigen, dass in der aktuellen Stichprobe die Informationen der massereichsten Schwarzen Löcher eher auf die dynamischen Effekte von Sternhaufen hinweisen als nur auf die Entwicklung einzelner Sterne. Wenn die Masse eines Schwarzen Lochs etwa 45 Sonnenmassen überschreitet, ändert sich seine Spinverteilung plötzlich erheblich. Dies lässt sich nur schwer durch die Entwicklung gewöhnlicher Sternsternhaufen erklären, aber es kann auf natürliche Weise dadurch verstanden werden, dass „diese Schwarzen Löcher mehrere Verschmelzungsrunden in dichten Sternhaufen erlebt haben“. Dies unterstützt weiter die Idee, dass riesige Schwarze Löcher tief in Sternhaufen gestapelt sind und von Generation zu Generation wachsen.
Die Arbeit verknüpft auch die Gravitationswellenastronomie mit kernphysikalischen Prozessen im Inneren von Sternen. Das Team nutzte den Wendepunkt in der Nähe der Massenlücke, um auf eine wichtige Kernreaktion zu schließen, die bei der Heliumverbrennung massereicher Sterne eine Rolle spielt, und bot so eine neue Möglichkeit, Kernprozesse tief im Kern von Sternen zu untersuchen. Die Forscher sagten, dass Wissenschaftler mit der Anhäufung von Gravitationswellenbeobachtungen in der Zukunft möglicherweise in der Lage sein könnten, aus der feinen Form der Massenverteilung und der Massenlücke des Schwarzen Lochs umgekehrt auf die komplexe Kernreaktionskette im Inneren des Sterns zu schließen.
Der Co-Autor des Artikels Fani Dosopoulu und andere wiesen darauf hin, dass die sogenannte Massenobergrenze „für Instabilität“ direkt von den spezifischen Kernreaktionen abhängt, die im Kern massereicher Sterne ablaufen. Daher wird die fortgesetzte Anhäufung von Gravitationswellendaten nicht nur unser Verständnis der Populationen Schwarzer Löcher neu definieren, sondern könnte auch zu einem neuen experimentellen „Labor“ für das Studium der Kernphysik werden. Für das Universum ist jede Verschmelzung von Schwarzen Löchern ein gewalttätiges und kurzlebiges Ereignis, aber mit Hilfe des „Hörens“ von Gravitationswellen nutzen Menschen diese momentanen Schwingungen, um die lange Geschichte der riesigen Schwarzen Löcher zu rekonstruieren, die still in den Tiefen des Universums wachsen.