Ohne weitere Daten können die Ursprünge eines Schwarzen Lochs in jede Richtung „gedreht“ werden

Hinweise auf die Ursprünge eines Schwarzen Lochs können in der Art und Weise gefunden werden, wie es sich dreht. Dies gilt insbesondere für Binärdateien, in denen zwei Schwarze Löcher dicht beieinander kreisen, bevor sie verschmelzen. Der Spin und die Neigung der jeweiligen Schwarzen Löcher kurz vor ihrer Verschmelzung können zeigen, ob die unsichtbaren Riesen aus einer ruhigen galaktischen Scheibe oder einem dynamischeren Sternhaufen entstanden sind.

Astronomen hoffen herauszufinden, welche dieser Ursprungsgeschichten wahrscheinlicher ist, indem sie die 69 bestätigten Binärdateien analysieren, die bisher entdeckt wurden. Aber eine neue Studie stellt fest, dass der aktuelle Katalog von Binärdateien vorerst nicht ausreicht, um etwas Grundlegendes über die Entstehung von Schwarzen Löchern zu enthüllen.

In einer Studie, die heute in der Zeitschrift erscheint Astronomie und AstrophysikMIT-Physiker zeigen, dass die Schlussfolgerungen, wenn alle bekannten Binärdateien und ihre Spins in Modelle der Entstehung von Schwarzen Löchern eingearbeitet werden, sehr unterschiedlich aussehen können, je nach dem speziellen Modell, das zur Interpretation der Daten verwendet wird.

Die Ursprünge eines Schwarzen Lochs können daher auf unterschiedliche Weise „gesponnen“ werden, abhängig von den Annahmen eines Modells darüber, wie das Universum funktioniert.

„Wenn Sie das Modell ändern und flexibler gestalten oder andere Annahmen treffen, erhalten Sie eine andere Antwort darauf, wie sich Schwarze Löcher im Universum gebildet haben“, sagt die Co-Autorin der Studie, Sylvia Biscoveanu, eine MIT-Doktorandin, die im LIGO-Labor arbeitet. „Wir zeigen, dass die Leute vorsichtig sein müssen, weil wir mit unseren Daten noch nicht so weit sind, dass wir glauben können, was uns das Modell sagt.“

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Colm Talbot, ein MIT-Postdoc; und Salvatore Vitale, außerordentlicher Professor für Physik und Mitglied des Kavli-Instituts für Astrophysik und Weltraumforschung am MIT.

Eine Geschichte mit zwei Ursprüngen

Es wird angenommen, dass Schwarze Löcher in Binärsystemen auf einem von zwei Wegen entstehen. Die erste ist die „Feld-Binär-Evolution“, bei der sich zwei Sterne gemeinsam entwickeln und schließlich in Supernovae explodieren, wobei zwei schwarze Löcher zurückbleiben, die weiterhin in einem binären System kreisen. In diesem Szenario sollten die Schwarzen Löcher relativ ausgerichtete Spins haben, da sie – zuerst als Sterne, dann als Schwarze Löcher – Zeit gehabt hätten, sich gegenseitig in ähnliche Ausrichtungen zu ziehen und zu zerren. Wenn die Schwarzen Löcher eines Binärsystems ungefähr den gleichen Spin haben, glauben Wissenschaftler, dass sie sich in einer relativ ruhigen Umgebung entwickelt haben müssen, wie beispielsweise in einer galaktischen Scheibe.

Doppelsysteme von Schwarzen Löchern können sich auch durch „dynamische Montage“ bilden, bei der sich zwei Schwarze Löcher separat entwickeln, jedes mit seiner eigenen Neigung und Drehung. Durch einige extreme astrophysikalische Prozesse werden die Schwarzen Löcher schließlich zusammengebracht, nahe genug, um ein binäres System zu bilden. Eine solche dynamische Paarung würde wahrscheinlich nicht in einer ruhigen galaktischen Scheibe auftreten, sondern in einer dichteren Umgebung, wie einem Kugelsternhaufen, wo die Wechselwirkung von Tausenden von Sternen zwei Schwarze Löcher zusammenschlagen kann. Wenn die Schwarzen Löcher eines Binärsystems zufällig ausgerichtete Spins haben, haben sie sich wahrscheinlich in einem Kugelsternhaufen gebildet.

Aber welcher Anteil an Binärdateien entsteht durch einen Kanal im Vergleich zum anderen? Die Antwort, so glauben Astronomen, sollte in Daten und insbesondere in Messungen der Spins von Schwarzen Löchern liegen.

Bis heute haben Astronomen die Spins von Schwarzen Löchern in 69 Doppelsternen abgeleitet, die von einem Netzwerk von Gravitationswellendetektoren entdeckt wurden, darunter LIGO in den USA und sein italienisches Gegenstück Virgo. Jeder Detektor lauscht auf Anzeichen von Gravitationswellen – sehr subtile Nachhallungen durch die Raumzeit, die von extremen, astrophysikalischen Ereignissen wie der Verschmelzung massereicher Schwarzer Löcher übrig bleiben.

Mit jeder binären Detektion haben Astronomen die Eigenschaften des jeweiligen Schwarzen Lochs geschätzt, einschließlich seiner Masse und Drehung. Sie haben die Spin-Messungen in ein allgemein anerkanntes Modell der Entstehung von Schwarzen Löchern eingearbeitet und Anzeichen dafür gefunden, dass Binärdateien sowohl einen bevorzugten, ausgerichteten Spin als auch zufällige Spins haben könnten. Das heißt, das Universum könnte Doppelsterne sowohl in galaktischen Scheiben als auch in Kugelsternhaufen produzieren.

„Aber wir wollten wissen, ob wir genug Daten haben, um diese Unterscheidung zu treffen?“ sagt Biscoveanu. „Und es stellt sich heraus, dass die Dinge chaotisch und unsicher sind und es schwieriger ist, als es aussieht.“

Spinnen der Daten

In ihrer neuen Studie testete das MIT-Team, ob dieselben Daten zu denselben Schlussfolgerungen führen würden, wenn sie in leicht unterschiedliche theoretische Modelle zur Entstehung schwarzer Löcher eingearbeitet würden.

Das Team reproduzierte die Spin-Messungen von LIGO zunächst in einem weit verbreiteten Modell der Entstehung von Schwarzen Löchern. Dieses Modell geht davon aus, dass ein Bruchteil der Binärdateien im Universum es vorzieht, Schwarze Löcher mit ausgerichteten Spins zu produzieren, während der Rest der Binärdateien zufällige Spins hat. Sie fanden heraus, dass die Daten mit den Annahmen dieses Modells übereinzustimmen schienen und einen Höhepunkt zeigten, wo das Modell vorhersagte, dass es mehr Schwarze Löcher mit ähnlichen Spins geben sollte.

Dann passten sie das Modell leicht an und änderten seine Annahmen so, dass es eine etwas andere Ausrichtung der bevorzugten Spins von Schwarzen Löchern vorhersagte. Als sie dieselben Daten in dieses optimierte Modell einarbeiteten, stellten sie fest, dass die Daten verschoben wurden, um mit den neuen Vorhersagen übereinzustimmen. Die Daten machten auch ähnliche Verschiebungen in 10 anderen Modellen, jedes mit einer anderen Annahme darüber, wie sich Schwarze Löcher bevorzugt drehen.

„Unser Papier zeigt, dass Ihr Ergebnis ganz davon abhängt, wie Sie Ihre Astrophysik modellieren, und nicht von den Daten selbst“, sagt Biscoveanu.

„Wir brauchen mehr Daten, als wir dachten, wenn wir eine Behauptung aufstellen wollen, die von unseren astrophysikalischen Annahmen unabhängig ist“, fügt Vitale hinzu.

Wie viel mehr Daten werden Astronomen brauchen? Vitale schätzt, dass die Instrumente, sobald das LIGO-Netzwerk Anfang 2023 wieder hochgefahren ist, alle paar Tage ein neues Schwarzes-Loch-Binärsystem entdecken werden. Im Laufe des nächsten Jahres könnten sich Hunderte weiterer Messungen summieren, die zu den Daten hinzugefügt werden müssen.

„Die Messungen der Spins, die wir jetzt haben, sind sehr unsicher“, sagt Vitale. „Aber wenn wir viele von ihnen aufbauen, können wir bessere Informationen gewinnen. Dann können wir sagen, egal wie detailliert mein Modell ist, die Daten erzählen mir immer die gleiche Geschichte – eine Geschichte, die wir dann glauben könnten.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.