Im Januar 2020 gelang mit dem LIGO-Detektor für Gravitationswellen in den USA der erste gesicherte Nachweis, dass auch Neutronensterne von Schwarzen Löchern verschluckt werden. Bei dem GW200105 getauften Ereignis verschmolz ein Objekt mit etwa der neunfachen Masse unserer Sonne mit einem Neutronenstern von rund 1,9 Sonnenmassen, nachdem sich beide auf einer kreisförmigen Bahn immer weiter annäherten – so zumindest die ursprüngliche Annahme. In einer Nachuntersuchung konnten die Astronomen Gonzalo Morras, Geraint Pratten und Patricia Schmidt von der University of Birmingham nun erstmals Hinweise darauf vorlegen, dass die beteiligten Objekte tatsächlich auf einer elliptischen Bahn miteinander kollidierten. Das hat nicht nur Auswirkungen auf deren Massenabschätzung, sondern stellt auch die bisherige Annahme infrage, dass solche Systeme vor ihrer Verschmelzung immer kreisförmige Umlaufbahnen einnehmen. Ihre Ergebnisse veröffentlichte die Gruppe im Fachjournal »The Astrophysical Journal Letters«. Durch äußere Einflüsse könnte ihre gemeinsame Umlaufbahn von einer Kreisform abweichen, wie das System hinter dem Gravitationswellensignal GW200105 vermuten lässt.

Unter den zahlreichen verzeichneten Gravitationswellensignalen macht die Paarung zweier Schwarzer Löcher den weitaus größten Anteil aus – solche von Schwarzen Löchern und Neutronensternen sind deutlich seltener. Allen Systemen gemeinsam ist jedoch die kontinuierliche Abstrahlung von Gravitationswellen während ihrer Annäherung, wodurch sie Drehimpuls und Energie verlieren. Anfänglich eher elliptische, im Fachjargon exzentrisch genannte Umlaufbahnen nähern sich mit der Zeit immer mehr der idealen Kreisform mit einer Exzentrizität von null an. Schließlich erscheinen sie im Frequenzbereich der Detektoren nahezu kreisrund.

Anders bei GW200105: Mit einem neuen Modell zur Beschreibung von Gravitationswellen konnte das Team eine Bahnexzentrizität beider Objekte um deren Massenschwerpunkt von etwa e = 0,145 feststellen, und das bei einer Umlaufperiode von 0,1 Sekunden (siehe »Exzentrisches System«). Zum Vergleich: Merkur zeigt mit e = 0,206 eine deutlich elliptischere Umlaufbahn um die Sonne.

Die Bahnform liefert dabei entscheidende Informationen über die Umgebung, in der diese Objekte miteinander interagieren. So deutet die elliptische Bahn bei GW200105 auf einen Ursprungsort hin, an dem viele gravitative Wechselwirkungen mit anderen Sternen stattfanden. Das stellt einen deutlichen Gegenentwurf zur gängigen Ansicht dar, nach der sich sämtliche Verschmelzungen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern in einer ruhigen, isolierten Umgebung ereignen und auf einen einzigen dominanten Entstehungsmechanismus zurückzuführen sind.

Die Berücksichtigung der Exzentrizität hat auch Auswirkungen auf die physikalischen Parameter der beteiligten Objekte. Frühere Analysen, die auf einer Kreisbahn basieren, führten zu völlig anderen Massen. Nach den neuen Modellen wies der Neutronenstern nur das 1,5-Fache der Masse der Sonne auf, während das Schwarze Loch eine ursprüngliche Masse von etwa 11,5 Sonnenmassen hatte. Nach der Verschmelzung verblieb ein solches mit mehr als 13 Sonnenmassen. Zusätzlich fällt auch die Emission von Gravitationswellen stärker aus, da durch die elliptische Form des Orbits die Beschleunigungen der einander umlaufenden Massen viel heftiger ausfallen als bei einer Kreisbahn.

Angesichts der wachsenden Vielfalt an Verschmelzungsereignissen zeigt die Arbeit die Notwendigkeit auf, fortschrittlichere Gravitationswellenmodelle zu entwickeln. Und auch bei den Detektoren besteht noch Potenzial: So konnte der Ursprungsort von GW200105 zwar auf eine Entfernung von rund 950 Millionen Lichtjahren bestimmt werden, aber die Unsicherheit ist mit bis zu ungefähr 40 Prozent recht groß. Ähnlich verhält es sich mit der Verortung am Himmel: Die Kollision könnte sich in einem Areal ereignet haben, das rund 17 Prozent des gesamten Firmaments umfasst – das entspricht der Fläche von 34 000 Vollmonden.