Die gewaltigste jemals entdeckte Verschmelzung Schwarzer Löcher stellt Entstehungstheorien infrage

Als die Stille der Raumzeit brach

Am 23. November 2023 registrierten die empfindlichsten Gravitationswellen-Instrumente der Erde ein kurzes, aber lautes Kräuseln in der Raumzeit. Das Signal war so ungewöhnlich, dass Forscher es monatelang untersuchten – und als die Ergebnisse Mitte Juli 2025 veröffentlicht wurden, stellten sie die Erwartungen darüber, wie die schwersten stellaren Schwarzen Löcher entstehen, auf den Kopf.

Was detektiert wurde

Warum dies ein Problem für die Standardtheorie darstellt

Seit Jahrzehnten sagen Modelle der Sternentwicklung eine Lücke im Massenspektrum Schwarzer Löcher voraus. Von sehr massereichen Sternen, die normalerweise Schwarze Löcher zwischen etwa 60 und 130 Sonnenmassen hervorbringen würden, wird stattdessen erwartet, dass sie einen Prozess der Paarinstabilität durchlaufen, der entweder einen Großteil der Masse des Sterns ausstößt oder den Stern vollständig zerreißt, ohne einen kompakten Überrest zu hinterlassen. Dieser theoretische Bereich wird als „Paarinstabilitäts-Masselücke“ bezeichnet.

Wie könnten solch massereiche, schnell rotierende Schwarze Löcher entstehen?

• Hierarchische Verschmelzungen: In dichten Umgebungen wie Kugelsternhaufen oder den gedrängten Zentren junger Sternhaufen können Schwarze Löcher wiederholt verschmelzen. Jede Verschmelzung bringt einen schwereren, oft schnell rotierenden Überrest hervor, der später einen weiteren Partner finden kann. Die Wiederholung dieses Prozesses über Generationen hinweg kann Objekte innerhalb und oberhalb der Masselücke entstehen lassen.
• Akkretion innerhalb eines aktiven galaktischen Kerns (AGN): Massereiche Schwarze Löcher, die innerhalb der dichten, gasförmigen Scheibe um ein supermassereiches Schwarzes Loch kreisen, können Gas akkretieren und migrieren, wobei sie an Masse gewinnen, bevor sie verschmelzen. Diese Umgebung kann Spins auch auf komplexe Weise ausrichten oder fehlausrichten, was die bei GW231123 beobachteten hohen Spins erklärt.
• Exotische Kanäle oder Revisionen der Sternphysik: Einige Modelle schlagen Modifikationen der Paarinstabilität vor – etwa aufgrund unterschiedlicher Metallizität, Rotation oder Durchmischung in den Vorläufersternen –, die eine direkte Bildung schwererer Überreste ermöglichen könnten, als bisher angenommen.

Jedes Szenario hat Stärken und Schwächen. Die für GW231123 gemessenen sehr hohen Spins sprechen für einen hierarchischen Ursprung, bei dem frühere Verschmelzungen den Drehimpuls erhöht haben. Hierarchische Kanäle neigen jedoch auch dazu, die Spin-Richtungen über Generationen hinweg zu randomisieren, was Signaturen in der Gravitationswellenform hinterlassen kann, die aufgrund der Kürze dieses Signals schwerer zu bestätigen sind.

Warum die Daten schwer zu interpretieren sind

Da die beiden verschmelzenden Schwarzen Löcher so massereich waren, erfassten die Detektoren nur die letzten Augenblicke ihrer Annäherung (Inspiral) und Verschmelzung – etwa eine Zehntelsekunde. Das bedeutet weniger Gravitationswellenzyklen und weniger Informationen, um Parameter wie Massenverhältnis, Ausrichtung und Spin-Neigungswinkel festzulegen. Verschiedene Wellenformmodelle, die zur Ableitung der Systemeigenschaften verwendet werden, stimmen nicht perfekt überein, was systematische Unsicherheiten bei den Massen- und Spin-Schätzungen einführt.

Diese Modellierungsunterschiede sind von Bedeutung: Wenn eine Wellenformfamilie leicht andere Massen oder Spins bevorzugt als eine andere, kann sich die astrophysikalische Interpretation – ob die Komponenten tatsächlich in der Masselücke liegen oder diese stattdessen einrahmen – ändern. Die Kollaboration war daher vorsichtig bei der behaupteten Präzision und führt Folgestudien mit verbesserten Wellenformen und unabhängigen Analysen durch.

Wo sich dies in das Gesamtbild einfügt

GW231123 folgt auf frühere Gravitationswellen-Detektionen, die bereits auf unerwartet schwere Schwarze Löcher hindeuteten. Das erste eindeutige mittelschwere Schwarze Loch, das aus einem Doppelsternsystem hervorging, GW190521 in den Jahren 2019–2020, stellte die Modelle bereits vor Herausforderungen. Reanalysen von LIGO-Archivdaten haben zudem Kandidatenereignisse hervorgebracht, die mittelschwere Überreste erzeugen würden, was darauf hindeutet, dass wir es möglicherweise mit einer bisher verborgenen Population zu tun haben.

Belege für mehrere schwere Verschmelzungen haben weitreichende Konsequenzen. Sie beeinflussen unser Verständnis darüber, wie die ersten Generationen von Sternen lebten und starben, die Dynamik in dichten Sternhaufen und die Rolle gasförmiger galaktischer Umgebungen. Sie bieten zudem einen empirischen Weg zur Entstehung mittelschwerer Schwarzer Löcher – eine lang gesuchte Brücke zwischen stellaren und supermassereichen Schwarzen Löchern.

Wie es weitergeht

Forscher werden die Parameterschätzungen mithilfe anspruchsvollerer Wellenformmodelle, gezielter numerischer Relativitätssimulationen und unabhängiger Parameter-Schätzungscodes verfeinern. Techniken des maschinellen Lernens und Reanalysen archivierter Daten werden zudem weiterhin Kandidaten für schwere Verschmelzungen zutage fördern, was dazu beitragen wird, statistisches Vertrauen in die Population aufzubauen.

Eine Belastungsprobe und eine neue Chance

GW231123 ist nicht nur ein weiterer Eintrag in einem wachsenden Katalog von Gravitationswellen-Entdeckungen. Es ist eine Herausforderung: ein Datenpunkt, der an eine theoretische Grenze stößt und Astrophysiker dazu zwingt, Teile der Standarderzählung zu erweitern oder zu ersetzen. Ob die Antwort nun in wiederholten Kollisionen innerhalb dichter Sternhaufen, hungrigen Schwarzen Löchern, die Gas in galaktischen Kernen verschlingen, oder einer Revision der Sternphysik liegt – die Entdeckung öffnet ein neues Fenster dazu, wie die Natur die schwersten kompakten Objekte erschafft.

Vorerst ist das Signal eine eindringliche Erinnerung an den wissenschaftlichen Wert, dem Universum mittels Gravitationswellen zuzuhören – und daran, dass einige der interessantesten Geheimnisse des Kosmos als kurzes, kraftvolles Flüstern bei uns eintreffen.

James Lawson ist investigativer Wissenschafts- und Technologie-Reporter für Dark Matter. Er hält einen MSc in Wissenschaftskommunikation und einen BSc in Physik vom University College London.