Wissenschaftler, die Gravitationswellen untersuchen, glauben herausgefunden zu haben, wie das Universum seine größten Schwarzen Löcher hervorbringt, und Spoiler: Es ist nicht der übliche dramatische Kollaps eines sterbenden Sterns. Stattdessen scheinen diese kosmischen Schwergewichte Wiederholungstäter zu sein, die durch mehrere Kollisionen in Sternhaufen wachsen, die dichter gepackt sind als eine Tokioter U-Bahn zur Hauptverkehrszeit.
Unter der Leitung der Cardiff University untersuchte die Forschung Version 4.0 des LIGO-Virgo-KAGRA Gravitationswellen-Transientenkatalogs (GWTC4), der 153 zuverlässige Verschmelzungen Schwarzer Löcher verzeichnet. Das Team, das in Nature Astronomy veröffentlichte, konzentrierte sich darauf, ob die größten Schwarzen Löcher „Objekte der zweiten Generation“ waren – entstanden, wenn Schwarze Löcher toter Sterne zusammenprallen und dann in dichten stellaren Umgebungen erneut verschmelzen, in denen Sterne bis zu einer Million Mal näher beieinander stehen als in unserer solaren Nachbarschaft.
„Die Gravitationswellen-Astronomie tut jetzt mehr, als nur Verschmelzungen Schwarzer Löcher zu zählen“, sagte der leitende Autor Dr. Fabio Antonini von der Cardiff University. „Sie beginnt zu enthüllen, wie Schwarze Löcher wachsen, wo sie wachsen und was uns das über das Leben und Sterben massereicher Sterne verrät.“ Die Analyse identifizierte zwei unterschiedliche Populationen Schwarzer Löcher, wobei die schwereren ein eigenartiges Spinverhalten zeigten – schnelle Rotationen in zufälligen Richtungen, genau das, was man von wiederholten Verschmelzungen in dichten Haufen erwarten würde.
„Was uns am meisten überraschte, war, wie deutlich die massereichen Schwarzen Löcher als separate Population hervorstechen“, fügte die Co-Autorin Dr. Isobel Romero-Shaw hinzu. „Im Gegensatz zu den masseärmeren Systemen ... sind die massereicheren Systeme konsistent mit schnelleren Spins, die in scheinbar zufällige Richtungen ausgerichtet sind. Dies ist die exakte Signatur, die man erwarten würde, wenn Schwarze Löcher wiederholt in dichten Sternhaufen verschmelzen.“
Die Studie untermauert auch die Beweise für eine mysteriöse „Massenlücke“ bei etwa 45 Sonnenmassen, wo Sterne einer bestimmten Größe so heftig explodieren sollten, dass sie kein Schwarzes Loch hinterlassen. „Die größten Schwarzen Löcher in der aktuellen Stichprobe scheinen uns etwas über die Haufendynamik zu erzählen, nicht nur über die Sternentwicklung“, bemerkte Antonini. „Oberhalb von etwa 45 Sonnenmassen ändert sich die Spinverteilung ... natürlich erklärt, wenn diese Schwarzen Löcher bereits frühere Verschmelzungen in dichten Haufen durchgemacht haben.“
Mit Blick auf die Zukunft schlagen die Forscher vor, dass diese Daten helfen könnten, die Kernphysik in massereichen Sternen zu untersuchen, da die Paarinstabilitäts-Massenlücke von Reaktionen in Sternkernen abhängt. „In Zukunft könnten Gravitationswellendaten Wissenschaftlern helfen, Kernphysik zu studieren“, sagte Co-Autorin Dr. Fani Dosopoulou. Denn nichts sagt „Kernphysik“ so sehr wie ein Schwarzes Loch, das mehrere kosmische Blechschäden hinter sich hat.