Gravitationswellen als Fenster zur frühen Sternentstehung

Im September vergangenen Jahres empfingen die LIGO-Detektoren in den USA erstmals Gravitationswellen aus dem fernen Kosmos. Computersimulationen eines Forscherteams zeigen jetzt, wie sich mit solchen Beobachtungen neue Erkenntnisse über die Entstehung und Entwicklung von Sternen im frühen Kosmos gewinnen lassen. Die Gravitationswellen stammen demnach von Schwarzen Löchern, die ursprünglich Riesensterne mit der 40- bis 100-fachen Masse unserer Sonne waren, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Bisherige Berechnungen haben keine zuverlässigen Aussagen über die Vorgängersterne der Schwarzen Löcher geliefert“, so Krzysztof Belczynski von der Universität Warschau in Polen und seine Kollegen. Das von Bodendetektoren aufgespürte Signal lässt sich zwar gut mit der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mit der 29-fachen und der 36-fachen Sonnenmasse in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung erklären. Belcynski und seine Kollegen präsentieren jetzt aber erstmals detaillierte Computersimulationen der Entwicklungsgeschichte der beiden Sterne, aus denen das doppelte Schwarze Loch hervorgegangen sein soll.

Die Forscher simulieren die Entstehung und Evolution zahlreicher Doppelsterne im frühen Kosmos. Für 32 verschiedene Anfangswerte der chemischen Zusammensetzung modellieren sie jeweils 20 Millionen Doppelsterne von der Zündung der Kernfusion über den Kollaps zu Schwarzen Löchern bis zur Verschmelzung. Dann vergleichen sie die Ergebnisse mit den aus den Gravitationswellen abgeleiteten Daten für die Schwarzen Löcher und ermitteln so, welche ursprünglichen Systeme mit größter Wahrscheinlichkeit als Vorgänger infrage kommen.

„Am wahrscheinlichsten ist ein System aus einem Stern mit der 40- bis 100-fachen Sonnenmasse und einem Stern mit der 40- bis 80-fachen Sonnenmasse“, so Belczynski und seine Kollegen. Die Forscher räumen allerdings ein, dass ihre Modelle noch einige Unsicherheiten enthalten. So ist unklar, wieviel Masse die Sterne beim Kollaps zu Schwarzen Löchern ins All abstoßen und wie schnell sie sich in einer bestimmten Phase ihrer Entwicklung, während der sie in eine gemeinsame Gashülle eingebettet sind, einander annähern.

Doch die Forscher sehen ihre Simulationen als Rahmen für künftige Gravitationswellen-Ereignisse, die weitere Erkenntnisse über die Sternentwicklung im jungen Kosmos liefern und so diese Unsicherheiten beseitigen sollen. Und von solchen Ereignissen könnte es laut der Forscher sehr viele geben: Wenn LIGO und weitere Detektoren ihre volle Empfindlichkeit erreicht haben, so schätzen Belczynski und seine Kollegen, sollten pro Jahr etwa tausend Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern aufgespürt werden.