14.07.2025

Die bislang massereichste Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher

Die LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration hat anhand von Gravitationswellen die Verschmelzung der massereichsten beobachteten Schwarzen Löcher mit den LIGO-Observatorien in Hanford und Livingston, USA nachgewiesen.

Eine jetzt von der Forschungskollaboration der Gravitationswellenobservatorien bekanntgegebene Verschmelzung erzeugte ein endgültiges Schwarzes Loch mit mehr als der 225-fachen Masse unserer Sonne. Das Signal mit der Bezeichnung GW231123 wurde während der vierten Beobachtungsphase (O4) des LVK-Netzwerks am 23. November 2023 von den Instrumenten in den USA beobachtet – für lediglich eine Zehntelsekunde.

Die beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher hatten etwa die 100- bzw. 140-fache... — Die beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher hatten etwa die 100- bzw. 140-fache Masse der Sonne. Zusätzlich zu ihrer hohen Masse drehen sie sich auch noch schnell um sich selbst, was die Interpretation dieses Signals zu einer besonderen Herausforderung macht und auf eine komplexe Entstehungsgeschichte hindeutet.
Quelle: Simona J. Miller / Caltech / LIGO

Die beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher hatten etwa die 103- bzw. 137-fache Masse der Sonne. Zusätzlich zu ihrer hohen Masse drehen sie sich auch schnell, was die Interpretation dieses Signals zu einer besonderen Herausforderung macht und auf eine komplexe Entstehungsgeschichte hindeutet. „Die Entdeckung eines so massereichen und schnell rotierenden Systems ist nicht nur eine Herausforderung für unsere Datenanalysetechniken“, sagt Ed Porter, Forscher am Labor für Astroteilchenphysik und Kosmologie (APC) des CNRS in Paris, „sondern wird auch für viele Jahre einen großen Einfluss auf die theoretischen Studien zu Entstehungswegen von Schwarzen Löchern und zur Modellierung von Wellenformen haben. Tatsächlich lassen aktuelle Modelle der Sternentwicklung die Existenz solch massereicher Schwarzer Löcher, die möglicherweise durch frühere Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sind, nicht zu.“ Diese sagen vielmehr eine „uper mass gap“ voraus, in diesen Bereich fällt jedoch das eine der beiden Vorgängerobjekte von GW231123.

Bislang wurden etwa dreihundert Verschmelzungen von Schwarzen Löchern durch Gravitationswellen beobachtet, analysiert und der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft zugänglich gemacht. Bis jetzt war der massereichste Doppelstern die Quelle von GW190521 mit einer Gesamtmasse, die mit „nur” dem 140-fachen der Sonnenmasse deutlich geringer war.

Die hohe Masse und die extrem schnelle Rotation der Schwarzen Löcher in GW231123 sprengen die Grenzen sowohl der Gravitationswellentechnologie als auch der aktuellen theoretischen Modelle. Um genaue Informationen aus dem Signal zu gewinnen, mussten theoretische Modelle herangezogen werden, die die komplexe Dynamik schnell rotierender Schwarzer Löcher berücksichtigen.

„Dieses Ereignis bringt unsere Messinstrumente und Datenanalysefähigkeiten an die Grenzen des derzeit Möglichen“, sagt Dr. Sophie Bini, Postdoktorandin am Caltech, zuvor an der Universität Trient. „Es ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie viel wir aus der Gravitationswellenastronomie lernen können – und wie viel es noch zu entdecken gibt.“

Das Signal GW231123 in den Daten der Detektoren LIGO Hanford (links) und... — Das Signal GW231123 in den Daten der Detektoren LIGO Hanford (links) und Livingston (rechts). Die oberen Felder zeigen die Amplitude der Daten im Zeitverlauf (graue Kurven). Der blau schattierte Bereich zeigt die Modellierung des Signals. Die unteren Felder sind Zeit-Frequenz-Karten, die die Signalamplitude über die Zeit (horizontale Achse) und über die Frequenzen (vertikale Achse) zeigen. Hellere Farben stehen für ein stärkeres Signal.
Quelle: LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) collaboration

Gravitationswellendetektoren wie LIGO in den Vereinigten Staaten, Virgo in Italien und KAGRA in Japan sind dafür ausgelegt, winzige Verzerrungen in der Raumzeit zu messen, die durch gewaltige kosmische Ereignisse wie Verschmelzungen von Schwarzen Löchern verursacht werden. Die vierte Beobachtungsphase begann im Mai 2023, und die Ergebnisse der ersten Hälfte dieser Phase – bis Januar 2024 – werden im Laufe des Sommers veröffentlicht.

Die Analyse zu GW231123 wurde heute auf der 24. Internationalen Konferenz über Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitation (GR24) und der 16. Edoardo-Amaldi-Konferenz über Gravitationswellen vorgestellt, die gemeinsam als GR-Amaldi-Treffen vom 14. bis 18. Juli 2025 in Glasgow, Großbritannien, stattfinden. [EGO / LIGO / dre]