Die GRAVITY-Gruppe der Universität der Balearen (UIB) hat am 29. Mai 2023 an der Detektion des Gravitationswellensignals GW230529 teilgenommen, die von den Detektoren der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration durchgeführt wurde. Der LIGO-Detektor befindet sich in den USA, Virgo in Italien und das KAGRA-Interferometer in Japan.
Der Nachweis erfolgte im ersten Teil des vierten Beobachtungszeitraums (04a) der Detektoren, vom 24. Mai 2023 bis zum 16. Januar 2024. Nach einer mehrmonatigen Pause wurde am Mittwoch der zweite Teil (O4b) wieder aufgenommen, der bis Februar 2025 dauern wird.
Den Forschern zufolge wäre die Gravitationswelle GW230529 durch die Verschmelzung eines Neutronensterns mit 1,2 bis 2 Sonnenmassen und einem unbekannten kompakten Objekt mit 2,5 bis 4,5 Sonnenmassen verursacht worden, das größer als erwartet ist und ein Neutronenstern und kleiner als ein Schwarzes Loch ist. Der Vorläufiger Text der Studie wurde bereits veröffentlicht.
Lücke in der Sonnenmasse
Die Masse dieses unbekannten Objekts widerspricht den aktuellen Modellen von Schwarzen Löchern und Neutronensternpopulationen, die die Existenz einer Lücke in der Verteilung kompakter Objekte nahelegten, nach der Objekte im Bereich zwischen 3 und 5 Sonnenmassen nicht existieren konnten.
Bisher haben detektierte Neutronensterne weniger als 3 Sonnenmassen, während Schwarze Löcher mehr als 5 Sonnenmassen hätten.
Neuere Beobachtungen von Gravitationswellen deuten auf die Existenz von Objekten hin, die sich in dieser Massenlücke befinden. Bei einer früheren Entdeckung, GW190814, wurde eines der ursächlichen Objekte auf 2,5 bis 2,7 Sonnenmassen geschätzt, höher als der schwerste Neutronenstern, der bisher beobachtet wurde, aber viel kleiner als die Massen von Schwarzen Löchern. Dennoch war dieses Ereignis sicherlich nicht in der Massenlücke.
Im selben Jahr wurde die Entdeckung eines Radioteleskops aus Südafrika ein Objekt, das in der “Massenlücke” platziert werden könnte zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern.
Das Zusammenführen der beiden Objekte ist ein seltenes Ereignis. Daher ist jeder neue Nachweis äußerst wertvoll für die Untersuchung von Verschmelzungsraten und für die Charakterisierung der Populationen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen, was eines der Ziele der Gravitationswellenastronomie ist.
Die Forscher der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration stellen fest, dass die Natur des unbekannten Objekts GW230529 zu einem starken Kandidaten für die Neudefinition von Modellen von Schwarzen Löchern und Neutronensternpopulationen macht.
Wie ist GW230529 entstanden?
Der Entstehungsprozess, der zu GW230529 führte, ist ungewiss. Die Forscher haben zwei plausible Szenarien. Die erste wäre die Rückstoßbildung, bei der der Kollaps eines Supernova-Kerns aufgrund der Ansammlung von Restmaterial aus dem Kern zu einem Schwarzen Loch (und nicht zu einem Neutronenstern) führt.
Neuere numerische Modellergebnisse haben gezeigt, dass die Bildung von Schwarzen Löchern zwischen 3 und 6 Sonnenmassen durch diesen Entstehungsmechanismus möglich ist. Kernkollaps-Simulationen für Heliumsterne haben Massen von Schwarzen Löchern vorhergesagt, die so niedrig sind wie die maximale Masse von Neutronensternen, obwohl der Massenbereich unterhalb von 5 Sonnenmassen weniger besiedelt ist.
Bis heute sind die Modelle des Kernkollapses mit großen Unsicherheiten über den Ausgang des Prozesses behaftet, was es schwierig macht, die Massengrenzen kompakter Objekte genau zu bestimmen. GW230529 ist daher eine wertvolle Ressource, um diese Modelle einzuschränken.
Ein weiteres mögliches Szenario für die Bildung der Primärkomponente ist die Verschmelzung zweier Neutronensterne. In diesem Fall könnte man sich vorstellen, dass die sekundäre Komponente ein Mitglied eines uralten Dreifach- oder Vierfachsystems ist, oder dass sie bei der Entwicklung zu einem jungen Sternhaufen oder einem aktiven Galaxienkern eingefangen wurde. Auch ein nicht-stellarer Ursprung, wie etwa ein primordiales Schwarzes Loch, konnte nicht ausgeschlossen werden.
Die Untersuchung anderer Systeme in der Massenlücke, wie z. B. GW230529, wird es uns ermöglichen, unser Verständnis der Populationen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen zu verfeinern. Dies wiederum wird zu einem besseren Verständnis ihrer Entstehungsmechanismen und im Falle von Neutronensternen ihrer inneren Struktur führen.
Während die Beobachtungen fortgesetzt werden, werden die LIGO-Virgo-KAGRA-Forscher die Daten aus dem ersten Teil des Zeitraums analysieren und die verbleibenden 80 signifikanten Kandidatensignale überprüfen, die identifiziert wurden.
Am Ende der vierten Periode, deren zweite Phase gerade begonnen hat, könnten die 200 aufgezeichneten Gravitationswellensignale überschritten werden. Die internationale Kollaboration erhofft sich auch neue Multi-Messenger-Ereignisse, die auch von anderen Teleskopen auf der Erde und im Weltraum durch elektromagnetische Wellen verfolgt werden können.
Bild:Carl Knox (OzGrav)
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