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Ungewöhnliche Gravitationwelle – mit Leuchten?

2. September 2020

Das Signal ist stark, die Interpretation der Daten der drei aktiven Gravitationswellen-Detektoren (2 x LIGO + VIRGO) aber nicht ganz so eindeutig wie bei den bisher publizierten Ereignissen: GW190521, dessen vorläufige Bezeichnung S190521g war, hatte am 21. Mai 2019 – während des ersten Teils des Detektor-Laufs O3 – nur 1/10 Sekunde gedauert und nur 4 Schwingungen mit 30-80 Hertz umfasst (oben vom LIGO-Livingston-Detektor, x-Achse mit 0.05-Sekunden-Raster). Dazu könnten im Prinzip eine ganze Reihe exotischer Deutungen passen, aber wahrscheinlichsten scheint den Auswertern wie bei den meisten Gravitationswellen-Ereignissen zuvor die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in einer sehr fernen Galaxie (Leuchtkraftdistanz diesmal grob 5 Gigaparsec, Rotverschiebing 0.8±0.3) – allerdings mit deutlich höheren Massen als bisher gesehen, was sind dem kürzeren Signal und der niedrigeren Frequenz niederschlägt:

Die beiden Schwarzen Löcher hatten nämlich der Analyse zufolge 85(+21/-14) bzw. 66(+17/-18) Sonnenmassen (oben: Wahrscheinlichkeiten für das größere in der x- und das kleinere in der y-Achse), und heraus kam ein neues Schwarzes Loch von 142(+28/-16) Sonnenmassen, während rund 8 Sonnenmassen in Energie umgewandelt wurden: ein deutlich dickerer Fall als alle zuvor vom Projekt selbst publizierten (unten), auch wenn andere Auswertergruppen in den Runs O1 und O2 ebenfalls extra-fette Verschmelzungen gesehen zu haben glauben. Das resultierende Schwarze Loch wäre der erste quasi direkt nachgewiesene Vertreter der hypothetischen Intermediate Masse Black Holes (IMBH) mit 100 bis 100’000 Sonnenmassen zwischen den stellaren und den supermassiven in Galaxienzentren, für deren Existenz es bisher nur kontroverse Röntgenbeobachtungen gab. Und mindestens das schwerere der beiden Verschmolzenen hätte schon zuvor eine unerwartet große Masse besessen. Denn schwerer als 60 bis 65 Sonnenmassen dürfte kein durch Stellarevolution – Stichwort: Paar-Instabilität – entstandenes Schwarzes Loch sein (erst ab grob 120 Sonnenmassen wären sie dann wieder ‚erlaubt‘), und die Wahrscheinlichkeit, dass das schwerere Schwarze Loch weniger als 65 Sonnenmassen hatte, beträgt nur 3.2 Promille. Da müssen also alternative Entstehungswege untersucht werden, z.B. dass es selbst das Produkt einer früheren Verschmelzung war.

Und dann war da noch eine mysteriöse Beobachtung der Zwicky Transient Facility gewesen (Press Releases hier, hier und hier), die 34 Tage nach S190521g ein Aufleuchten in einer fernen Galaxie registriert hatte: hier die Lichtkurven im g- und r-Band, x-Achse in 100 Tages-Raster, y-Achse in 0.2 mag. Die ZTF-Beobachter halten einen Zusammenhang mit der Gravitationswelle für wahrscheinlich (deren LIGO/VIRGO-Analyse sie nicht kannten, aber aus den wenigen in Echtzeit publizierten Informationen über das Ereignis waren auch sie auf insgesamt involvierte 150 Sonnenmassen gekommen) und denken dabei an das vor einem Jahr postulierte Ram-pressure Stripping of a Kicked Hill Sphere in der Akkretionsscheibe eines Aktiven Galaktischen Kerns als Emissionsprozess. Die LIGO/VIRGO-Autoren nehmen das erst vor zwei Monaten publizerte ZTF-Paper unkommentiert zur Kenntnis, weisen aber darauf hin, dass elektromagnetische Strahlung überhaupt nur dann zu erwarten wäre, wenn die Schwarzloch-Verschmelzung in solch einer AGN-Scheibe stattgefunden hätte – die überdies eine gute Umgebung für hierarchisches Schwarzloch-Wachstum wäre.

„The LIGO results are very exciting,“ schreibt dazu der erste Autor des ZTF-Papers Matthew Graham diesem Blog: „they agree with our mass estimate as well as our prediction that there was a high likelihood of significant spin as required for a merger in an AGN accretion disk. The LIGO results suggest that we are looking at a 2g + 2g merger so the two black holes were the results of previous mergers and this scenario really requires an AGN accretion disk environment.“ Allerdings hatte die ZTF-Quelle eine Rotverschiebung von 0.44, während LIGO die Schwarzen Löcher bei grob 0.8 sieht. Graham: „As you note the spatial localization has been revised so that the distance has increased somewhat and that places our quasar just outside the new 90% confidence limits so the likelihood of association is reduced. However, until the full data is released by LIGO I cannot say by how much. This is a stunning result, though, and raises as many questions as it answers.“ NACHTRÄGE: jede Menge weitere Links inkl. zweier Papers, auf denen dieser Artikel basiert, ein detaillierter Hintergrund (mit Erwähnung der ZTF), eine Zusammenfassung in Deutsch, die Frage der Distanz, Press Releases in vielen Sprachen hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier, Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier und schon früher hier – und ein Webinar, ein Mini-Video und das Ganze in 13 Minuten erzählt („Streifzüge durch das Universum“ Nr. 28).