Ein Team der Universität Genf, der Northwestern University und der University of Florida nutzt fortschrittliche Simulationswerkzeuge, um die rätselhafte Natur dieser himmlischen ’Monster’ zu beleuchten.
Schwarze Löcher gehören zu den spannendsten Himmelsobjekten im Kosmos. Ihre Gravitationskraft ist so stark, dass selbst Licht nicht aus ihnen entweichen kann. Der bahnbrechende Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015, die durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher verursacht wurden, eröffnete neue Felder der Erforschung. Seitdem haben Dutzende ähnlicher Beobachtungen die AstrophysikerInnen dazu veranlasst, ihre Ursprünge zu erforschen. Ein Team der Universitäten Genf (UNIGE), Northwestern und Florida (UF) hat dank der jüngsten Fortschritte im POSYDON-Code, der zur Simulation von Doppelsternpopulationen verwendet wird, die Existenz massiver, verschmelzender Schwarzer Löcher mit 30 Sonnenmassen in Galaxien, die unserer eigenen ähnlich sind, vorhergesagt. Die Ergebnisse, die bisherige Theorien in Frage stellen, wurden in Nature Astronomy veröffentlicht.Schwarze Löcher sind Himmelsobjekte, die durch den Kollaps von Sternen entstanden sind und deren Masse bis zu mehreren hundert Mal so groß sein kann wie die unserer Sonne. Ihr Gravitationsfeld ist so stark, dass weder Materie noch Strahlung ihnen entkommen können, was ihre Entdeckung extrem schwierig macht. Als daher die winzigen Wellen in der Raumzeit, die durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstehen, 2015 vom Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) entdeckt wurden, versetzten diese Beobachtungen die wissenschaftliche Welt in Aufruhr. AstrophysikerInnen zufolge waren die beiden Schwarzen Löcher, die das Signal verursachten, etwa 30 Mal so groß wie die Masse der Sonne und 1,5 Milliarden Lichtjahre entfernt.
Theorie und Wirklichkeit näher zusammen bringen
Welche Mechanismen führen zu Schwarzen Löchern? Sind sie das Produkt der Entwicklung zweier Sterne, die unserer Sonne ähnlich, aber wesentlich massereicher sind und sich in einem Doppelsternsystem bewegen? Oder sind sie das Ergebnis von Schwarzen Löchern in dicht bevölkerten Sternhaufen, die sich zufällig begegnen? Könnte ein exotischerer Mechanismus beteiligt sein? Diese Fragen werden derzeit heftig diskutiert.
Die POSYDON-Kollaboration, der Wissenschaftler der Universitäten Genf (UNIGE), Northwestern und Florida (UF) angehören, hat bedeutende Fortschritte bei der Simulation von Doppelsternpopulationen gemacht. Diese Arbeit liefert präzisere Antworten und bringt theoretische Vorhersagen und Beobachtungsdaten in Einklang. ’Da es unmöglich ist, die Entstehung binärer Schwarzer Löcher direkt zu beobachten, muss man sich auf Simulationen stützen, die ihre Beobachtungseigenschaften nachbilden. Wir tun dies, indem wir Doppelsternsysteme von ihrer Entstehung bis zur Bildung von Systemen aus binären Schwarzen Löchern simulieren’, erklärt Simone Bavera, Postdoktorandin am Departement für Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Hauptautorin der Studie.
Die Grenzen der Simulation erweitern
Um die Ursprünge von verschmelzenden binären Schwarzen Löchern, wie sie 2015 beobachtet wurden, zu interpretieren, müssen die Vorhersagen theoretischer Modelle mit tatsächlichen Beobachtungen verglichen werden. Die Technik, die zur Modellierung dieser Systeme verwendet wird, ist als ’binäre Populationssynthese’ bekannt. Sie simuliert die Entwicklung von zig Millionen Doppelsternsystemen, um die statistischen Eigenschaften der resultierenden Gravitationswellenquellen abzuschätzen.
’Um dies jedoch in einem angemessenen Zeitraum zu erreichen, haben die Wissenschaftler bislang auf Modelle zurückgegriffen, die ungefähre Methoden zur Simulation der Sternentwicklung und ihrer binären Interaktionen verwenden. So führt die übermäßige Vereinfachung der Physik von Einzel- und Doppelsternen zu weniger genauen Vorhersagen’, erklärt Anastasios Fragkos, Assistenzprofessor an der Abteilung für Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf.
POSYDON hat es geschafft, diese Einschränkungen zu überwinden. Als Software konzipiert, nutzt es eine große vorberechnete Bibliothek detaillierter Simulationen von Einzel- und Doppelsternen, um die Entwicklung isolierter Doppelsternsysteme vorherzusagen. Jede dieser detaillierten Simulationen kann bis zu 100 CPU-Stunden benötigen, um auf einem Supercomputer ausgeführt zu werden, was diese Simulationstechnik für die Synthese von Doppelsternpopulationen nicht direkt anwendbar macht.
’Durch die Vorberechnung einer Bibliothek von Simulationen, die den gesamten Raum der Anfangsbedingungen abdecken, kann POSYDON diesen Datensatz jedoch mit Methoden des maschinellen Lernens nutzen, um die vollständige Entwicklung von Binärsystemen in weniger als einer Sekunde vorherzusagen. Diese Geschwindigkeit ist vergleichbar mit den schnellen Populationssynthesecodes der vorherigen Generation, aber mit einer verbesserten Genauigkeit’, erklärt Jeffrey Andrews, Assistenzprofessor am Fachbereich Physik der UF.
Einführung einer neuen Vorlage
Die Modelle vor POSYDON sagten eine vernachlässigbare Entstehungsrate von verschmelzenden binären Schwarzen Löchern in Galaxien voraus, die der Milchstraße ähneln, und sie erwarteten nicht die Existenz von verschmelzenden Schwarzen Löchern, die so massereich sind wie das 30-fache der Masse unserer Sonne. POSYDON hat gezeigt, dass solche Schwarzen Löcher in Galaxien ähnlich unserer eigenen existieren könnten’, erklärt Vicky Kalogera, Professorin am Northwestern Department of Physics and Astronomy, Direktorin des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) und Koautorin der Studie.
Frühere Modelle überschätzten bestimmte Aspekte, wie die Expansion massereicher Sterne. Dies führte zu einer Überschätzung ihres Masseverlusts, der sich direkt auf die binären Wechselwirkungen auswirkt. Diese sind Schlüsselzutaten, die die Eigenschaften von verschmelzenden Schwarzen Löchern bestimmen. Durch vollständig selbstkohärente Simulationen der detaillierten Sternstruktur und der binären Wechselwirkungen erhält POSYDON genauere Vorhersagen über die Eigenschaften von verschmelzenden binären Schwarzen Löchern, wie z.B. ihre Massen und Spins.
Diese Studie ist die erste, bei der die POSYDON-Software zum Einsatz kommt. Sie liefert neue Einblicke in die Entstehungsmechanismen von verschmelzenden Schwarzen Löchern in Galaxien wie der unseren. Das Forschungsteam entwickelt derzeit eine neue Version von POSYDON, die eine größere Bibliothek mit detaillierten Sternsimulationen enthalten wird, die in der Lage ist, Doppelsternsysteme in einer größeren Vielfalt von Galaxientypen zu simulieren.
