Im Mai 2019 entdeckten die Gravitationswellen-Observatorien LIGO und Virgo die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Eine hatte eine Masse von 85 Sonnen, die andere 66 Sonnenmassen. Das Ereignis erhielt den Namen GW190521 und war die größte bisher beobachtete Fusion. Es produzierte ein Schwarzes Loch mit 142 Sonnenmasse und war damit die erste Gravitationswellenbeobachtung eines Schwarzes Loch mittlerer Masse. Aber die Veranstaltung warf auch einige Fragen auf.
Eines der größten Rätsel betrifft die Massen der beiden ursprünglichen Schwarzen Löcher. Nach stellaren Modellen können Schwarze Löcher, die durch den Kollaps eines großen Sterns entstanden sind, nicht größer als etwa 65 Sonnenmassen sein. Während der kleinere der beiden knapp unter dieser Grenze liegt, ist es der größere definitiv nicht. Wie ist das Schwarze Loch mit 85 Sonnenmassen entstanden?
Eine Idee ist, dass es das Ergebnis kleinerer Fusionen ist. Wenn es ein enges System von 4 bis 6 Schwarzen Löchern gibt, könnten sie im Laufe der Zeit zu einem einzigen großen Schwarzen Loch verschmolzen sein. Aber dieser Haufen müsste auch das Schwarze Loch mit 66 Sonnenmassen umkreisen, damit er die Verschmelzung von GW190521 verursachen kann. Es gibt einige Hinweise darauf, dass Cluster von Schwarzen Löchern existieren können, aber ob sie schnell genug verschmelzen können, um GW190521 zu erklären, ist nicht klar. Vor kurzem schlug ein Team eine andere Lösung vor. Sie schlagen vor, dass GW190521 nicht die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher war, sondern eine Verschmelzung zweier Proca-Sterne.
Das beobachtete Fusionsereignis GW190521. Quelle: R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration und Virgo Collaboration)
Ein Proca-Stern oder Boson-Stern, wie er manchmal genannt wird, ist ein hypothetisches Objekt, das einem Weißen Zwerg oder Neutronenstern ähnlich ist. Die Bausteine der Materie kommen in zwei allgemeinen Formen vor: Fermionen wie Elektronen und Quarks und Bosonen wie Gluonen und Higgs. Fermionen widerstehen, denselben Quantenzustand einzunehmen. Wenn die Schwerkraft versucht, Fermionen zusammenzupressen, drücken sie zurück durch das, was ist als Entartungsdruck bekannt. Dieser Druck verhindert, dass Weiße Zwerge und Neutronensterne unter ihrem Gewicht kollabieren.
Bosonen haben kein Problem damit, denselben Quantenzustand einzunehmen. Tatsächlich können Bosonen, wenn man sie superkühlt, ein einzelnes Quantenobjekt bilden, das als Bose-Einsten-Kondensat bekannt ist. Aus diesem Grund könnte man meinen, die Schwerkraft hätte kein Problem damit, eine Masse von Bosonen in ein Schwarzes Loch zu kollabieren. Es stellt sich jedoch heraus, dass sich extrem dichte Bosonen in einem starken Gravitationsfeld auf unerwartete Weise verhalten. Die Physik ist ziemlich kompliziert, aber das Endergebnis ist, dass ein Boson-Stern einen ähnlichen Gravitationsabstand erreichen würde wie Weiße Zwerge und Neutronensterne. Hypothetisch könnte ein Bosonstern genau wie Weiße Zwerge und Neutronensterne gravitationsstabil sein. Umso mehr. Es gibt eine Grenze für den Entartungsdruck, was bedeutet, dass Weiße Zwerge nicht größer als 1,4 Sonnenmassen und Neutronensterne größer als 2 – 3 Sonnenmassen sein können. Unter den richtigen Bedingungen könnte ein Boson-Stern leicht eine Masse von 85 Sonnen oder mehr haben.
Ein Boson-Stern, wie es dem EHT erscheinen würde. Bildnachweis: Olivares et al
Bekannte Boson-Materie konnte kein Proca-Stern werden, aber bestimmte Theorien der Dunklen Materie schlagen neue Arten von Bosonen vor. Wenn Dunkle Materie aus Bosonen geringer Masse besteht, könnten sie sich zu Objekten von ähnlicher Größe und Masse wie Schwarze Löcher formen. Da sie (im Gegensatz zu Schwarzen Löchern) starke Magnetfelder haben würden, könnten wir sie möglicherweise durch die Lichtlinsen um sie herum von Schwarzen Löchern unterscheiden. Oder, wie diese neueste Arbeit vorschlägt, könnten wir sie möglicherweise anhand ihrer Gravitationswellen nachweisen.
Als das Team die Daten des GW190521-Ereignisses betrachtete, stellte es fest, dass es sowohl mit einer Verschmelzung eines Schwarzen Lochs als auch einer Proca-Sternverschmelzung übereinstimmte. Die Daten stimmen mit beiden Modellen gleich gut überein. Da die Eigenschaften eines Proca-Sterns von der Masse der Bosonen abhängen, aus denen er besteht, haben sie die GW190521-Daten verwendet, um die Bosonmasse zu messen. Die Antwort, die sie bekamen, war äußerst winzig. Etwa ein Billionstel der geschätzten Neutrinomassen.
Nichts davon beweist, dass Proca-Sterne existieren. Alle Gravitationswellenereignisse, die wir beobachtet haben, werden perfekt durch Verschmelzungen schwarzer Löcher erklärt. Aber die Studie liefert uns interessante Ideen. Ein neues leichtes Boson-Teilchen könnte uns helfen, die Dunkle Materie zu erklären, und diese Dunkle-Materie-Teilchen könnten sich zu Bosonsternen formen. Es ist eine bizarre Idee, aber eine, die wir noch nicht ausschließen können.
Referenz:Bustillo, Juan Calderón et al. ' GW190521 als Fusion von Proca-Sternen: Ein potenzielles neues Vektorboson von 8,7 × 10? 13Haus. 'Physische Überprüfungsschreiben126,8 (2021): 081101.
Referenz:Brito, Richard et al. ' Proca-Sterne: Gravitierende Bose-Einstein-Kondensate aus massiven Spin-1-Teilchen. ” Physikbriefe B 752 (2016): 291-295.
Referenz:Olivares, Hector et al. ' Wie man einen akkretierenden Boson-Stern von einem Schwarzen Loch unterscheidet. 'Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society497.1 (2020): 521-535.