Manche sehr massereiche Schwarze Löcher entstehen nicht, indem ein sterbender großer Stern kollabiert, sondern durch eine Reihe heftiger Kollisionen in dichten Sternenhaufen. Das hat eine internationale Forschungsgruppe herausgefunden, als sie Gravitationswellen von 153 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern ausgewertet hat.

Die Fachleute lösten damit ein altes Problem, bei dem sich Vorhersagen aus der Kernphysik und Beobachtungen aus der Astrophysik entgegenstanden: Bei Sternen mit Massen des 40- bis 130-Fachen unserer Sonne unterdrückt die sogenannte Paarinstabilität die Bildung von Schwarzen Löchern. Ab dieser Masse erzeugen die hochenergetischen Lichtteilchen im Kern des Sterns bei Kollisionen mit Atomkernen Paare von Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen. Das verringert den Strahlungsdruck aus dem Inneren, der dem gravitativen Kollaps damit nicht mehr entgegenwirken kann – und Druck sowie Temperatur im Kern steigen rapide an. Das führt wiederum zu einer explosionsartigen Fusion der schwereren Elemente im Inneren, die den Stern vollständig zerreißt. Das lässt keine Masse für ein Schwarzes Loch übrig.

Der Theorie nach sollten stellare Schwarze Löcher somit höchstens 40 Sonnenmassen haben. In der Praxis werden aber auch schwerere Exemplare überraschend häufig beobachtet. Wie ein Team um Fabio Antonini von der Cardiff University in der Fachzeitschrift »Nature Astronomy« schreibt, entstehen diese massereichen Exemplare auf gänzlich andere Weise – und sind deshalb nicht an die Paarinstabilitäts-Grenze gebunden.

Zu diesem Schluss kam die Gruppe, indem sie die Gravitationswellen von kollidierenden Systemen mit jeweils zwei Schwarzen Löchern analysierte. Dabei verglich sie die Rotation der einzelnen Schwergewichte mit der Bahnachse, auf der sie umeinander rotierten. Die Forschenden unterscheiden zwischen zwei verschiedenen Arten der Verschmelzung: Entsteht ein System durch den Kollaps zweier schon zuvor gekoppelter Sterne, beeinflusst die Bahnachse den Drehsinn der Schwarzen Löcher. Entsteht es aber durch Verschmelzungen in ultradichten Sternenhaufen, sind die Drehrichtungen zufällig verteilt und zeigen keine bevorzugte Ausrichtung relativ zur Bahnachse.

So identifizierten sie eine Art Schwarzer Löcher mit geringerer Masse, die über den üblichen Sternkollaps entstehen und die Paarinstabilitäts-Schranke einhalten, und eine zweite Art mit größerer Masse, die aus Verschmelzungen in Sternenhaufen hervorgeht.

Das Forschungsteam konnte mit dieser Arbeit nicht nur das Dilemma um die unerklärlichen, sehr massereichen stellaren Schwarzen Löcher auflösen, sondern außerdem die Paarinstabilitätsgrenze besser bestimmen, nämlich auf 45 Sonnenmassen. Da die vorhergesagte Lücke von der Bildung der Elektron-Positron-Paare abhängt, können Gravitationswellendaten laut den Fachleuten neue kernphysikalische Zusammenhänge enthüllen und den Blick ins Innere von besonders massereichen Sternen schärfen.