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Im Jahr 2023 registrierten Gravitationswellen-Observatorien eine Verschmelzung, die so ungewöhnlich war, dass sie die gängigen Annahmen vieler Astrophysiker in Frage stellte. Das Signal, mit der Kennung GW231123, stammte von einer Kollision in einer Entfernung von etwa sieben Milliarden Lichtjahren, trug aber Fingerabdrücke von Schwarzen Löchern, die nach standardmäßigen stellaren Modellen eigentlich nicht existieren dürften. Diese Beobachtung löste intensive Diskussionen in der Gemeinschaft aus, weil sie direkt an grundlegende Aspekte der Sternentwicklung, Supernova-Mechaniken und der Entstehung kompakter Objekte rührte.
Eine Verschmelzung, die die Astrophysik herausforderte
Als Astronomen die Wellenform von GW231123 analysierten, stellten sie zwei überraschende Eigenschaften fest: Die beiden Komponenten lagen innerhalb der sogenannten Paarinstabilitäts-Massenlücke, und zugleich wiesen sie hohe Rotationsraten auf – nahe der Lichtgeschwindigkeit in normierter Einheit. Diese Kombination war besonders rätselhaft, weil Modelle zur stellaren Evolution vorhersagen, dass Sterne mit Anfangsmassen von ungefähr 70 bis 140 Sonnenmassen Paarinstabilitäts-Supernovae durchlaufen. Dabei führt die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren zu einem thermischen Kollaps und einer explosiven Verbrennung, die den Stern vollständig zerstört und üblicherweise kein kompaktes Relikt hinterlässt. Die Detektion von kompakten Objekten in diesem Massenbereich widersprach also dem etablierten Verständnis der Massenverteilung von stellaren Schwarzen Löchern.
Konventionelle Erklärungen griffen zu exotischeren Bildungskanälen: wiederholte Verschmelzungen in dichten Sternhaufen, hierarchisches Wachstum, bei dem frühere Kollisionen schwerere Zweitgeneration-Schwarze-Löcher erzeugen, oder dynamische Wechselwirkungen in Mehrfachsystemen. Solche Szenarien können zwar Massen oberhalb der Paarinstabilitätslücke hervorbringen, sie tendieren jedoch dazu, die Achsen und Rotationen der Komponenten zu entkoppeln und zu randomisieren. Daraus folgt, dass das gleichzeitige Auftreten von zwei massereichen, schnell rotierenden Schwarzen Löchern in einem einzigen Ereignis als sehr unwahrscheinlich galt – was GW231123 so herausfordernd machte.
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Was frühere Simulationen übersehen hatten: magnetische Felder
Ein Team unter Leitung von Forschenden des Center for Computational Astrophysics am Flatiron Institute nahm die Fragestellung noch einmal auf und fügte ein wesentliches Element hinzu: Magnetismus. Viele frühere numerische Modelle legten den Fokus auf Gravitation, nukleare Brennprozesse und neutrale Hydrodynamik, vereinfachten jedoch die magnetischen Felder oder ließen Magnetohydrodynamik (MHD) ganz weg. In den neueren Flatiron-Simulationen wurde die Entwicklung eines sehr massereichen Sterns – initial etwa 250 Sonnenmassen – entlang seiner Lebenszeit bis zum Kollaps verfolgt, wobei Magnetfelder explizit in der Akkretionsscheibe des sterbenden Sterns modelliert wurden. Solche umfassenden MHD-Rechnungen erfordern hohe numerische Auflösung und zeitaufwändige Berechnungen, erlauben aber Einblicke in Prozesse, die vorher nicht sichtbar waren.
Das Ergebnis verändert Teile der bisherigen Erzählung. Nach den letzten nuklearen Brennphasen hatte der simulierte Stern einen Großteil seiner äußeren Hüllen abgestoßen und wog zum Kollapszeitpunkt etwa 150 Sonnenmassen – knapp an der Grenze zur verbotenen Paarinstabilitätslücke. Beim Kernkollaps entstand ein Neugeborenes Schwarzes Loch, umgeben von einer dichten, schnell rotierenden Akkretionsscheibe, die von starken magnetischen Feldlinien durchzogen war. Diese Konfiguration ist anfällig für magnetisch getriebene Instabilitäten, magnetische Spannungen und den Start relativistischer Ausströmungen, die in rein hydrodynamischen Simulationen nicht in gleicher Weise auftreten.
Magnetischer Druck: ein verborgener Moderator
Starke Magnetfelder wirken innerhalb der Akkretionsscheibe wie eine zusätzliche Druckkomponente. Anstatt dass die gesamte verbliebene Masse gleichmäßig in das Schwarze Loch einfallen kann, können magnetisch getriebene Winde einen erheblichen Anteil der Scheibenmasse mit relativistischen Geschwindigkeiten ins All hinaustreiben – in einigen Simulationen bis zu etwa der Hälfte der ursprünglichen Scheibenmasse. Diese Massenausflüsse reduzieren die endgültige Masse des entstehenden Schwarzen Lochs und verschieben damit Objekte, die nominal in der Paarinstabilitätslücke lägen, hinunter in erlaubte Massenbereiche. Parallel dazu erzeugen magnetische Drehmomente (magnetische Torques) einen effizienten Transport von Drehimpuls aus dem akkretierenden Material heraus, sodass das neugebildete Schwarze Loch weniger Spin behält als ohne starke Magnetfelder.
Die Simulationen zeigen dabei eine systematische Beziehung: stärkere Magnetfelder führen zu leichteren und langsamer rotierenden Überresten, während schwächere Felder schwerere und schneller rotierende Schwarze Löcher zulassen. Diese resultierende Masse‑Spin‑Relation ist eine natürliche Erklärung für die ungewöhnlichen Parameter, die aus GW231123 abgeleitet wurden, ohne auf sehr unwahrscheinliche Bildungsgeschichten zurückgreifen zu müssen. Aus physikalischer Sicht verknüpft dieses Ergebnis die Prozesse der Magnetohydrodynamik (MHD), die Akkretionsphysik und die Mechanik des Drehimpulstransfers in der unmittelbaren Umgebung des neu gebildeten Ereignishorizonts.
Beobachtbare Tests und weiterreichende Implikationen
Ein Vorteil des magnetisch getriebenen Wind-Szenarios ist seine Vorhersagbarkeit. Dieselben magnetisch angetriebenen Ausflüsse, die Masse von der kollabierenden Scheibe entfernen, sollten beim Durchbruch durch die stellare Hülle hochenergetische Transienten erzeugen – zum Beispiel kurze Gamma-Ray-Bursts (sGRBs) oder andere elektromagnetische Gegenstücke im Röntgen- bis Gammaspektrum. Solche Signale könnten als zeitlich nahes multimessenger Begleitphänomen zu bestimmten Gravitationswellen-Events detektiert werden. Wenn zukünftige Gravitationswellen-Detektionen von Objekten in der Paarinstabilitätslücke mit hohen Spins zeitlich kompakte Gamma- oder Röntgensignale zeigen, würde das die magnetische Interpretation stark untermauern.
Weiter gedacht legt diese Arbeit nahe, dass stellare Magnetfelder in Modellen zur Entstehung Schwarzer Löcher als erststufige, nicht vernachlässigbare Effekte behandelt werden sollten. Das hat Konsequenzen für Population‑Synthesis‑Modelle, für die Vorhersage von Ereignisraten in Gravitationswellen-Katalogen und für das Verständnis der Verteilung von Rotationen (dimensionloser Spinparameter a) in der Schwarzes‑Loch‑Population. Zusätzlich liefert die Analyse eine neue diagnostische Möglichkeit: indem man Masse und Spin über viele Verschmelzungen hinweg misst, könnte man das charakteristische Muster magnetischer Prozesse erkennen und so Rückschlüsse auf die Magnetfeldverteilung massereicher Sterne in frühen kosmischen Epochen ziehen.
Fachliche Einordnung
„Diese Simulationen zeigen, wie unordentlich und komplex reale stellar‑endphasen sein können“, erklärt Dr. Mira Patel, eine Astrophysikerin, die sich mit der Bildung kompakter Objekte beschäftigt. „Magnetfelder sind hier keine marginale Korrektur — sie können grundlegend verändern, ob ein Stern ein Schwarzes Loch hinterlässt und mit welcher Rotationsrate dieses Objekt ausgestattet ist. Beobachtungen liefern uns damit klare Signaturen: Massen innerhalb der Lücke, gekoppelt an bestimmte Spin‑Bereiche, und möglicherweise gleichzeitig auftretende Gamma‑Ray‑Flashes.“ Solche Zitate unterstreichen die Bedeutung von präzisen Gravitationswellen-Parametermessungen und schnellen elektromagnetischen Follow‑ups für die Validierung theoretischer Modelle.
Mit wachsender Größe von Gravitationswellen-Katalogen und immer schnelleren, empfindlicheren Multimessenger‑Beobachtungen werden Forscher in naher Zukunft prüfen können, ob die magnetische Umformung des stellaren Kollapses die Regel oder eine Ausnahme ist. Bestätigt würde der magnetisch‑getriebene Windmechanismus eines der markantesten Rätsel im Zusammenhang mit GW231123 lösen und die Auffassung darüber verändern, wie der letzte Akt der massivsten Sterne abläuft. Langfristig könnte dieses Wissen außerdem Auswirkungen auf verwandte Fragen haben, etwa auf die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher, die Rolle von Magnetfeldern in frühen Sternpopulationen und die Interpretation künftiger Ereignisse mit LIGO, Virgo, KAGRA sowie den geplanten Detektoren Einstein Telescope und Cosmic Explorer.
Quelle: sciencealert
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