Quellen von Gravitationswellen in Vierfachsternsystemen

1. September 2022

Massereiche Sterne befinden sich oft in Mehrfachsternsystemen, daher ist zu erwarten, dass
Verschmelzungen ihrer Endstadien, der Neutronensterne oder Schwarzen Löcher, erheblich als
Quellen zu Gravitationswellen beitragen. Ein Team am MPA hat nun die Entwicklung von Millionen
Vierfachsternsystemen untersucht und abgeschätzt, dass ein erheblicher Teil der von LIGO
nachgewiesenen Verschmelzungen von zwei Schwarzen Löchern aus solchen
Mehrfachsternsystemen und nicht aus einfachen Doppelsternsystemen stammt.

In den letzten zehn Jahren hat die Gravitationswellenastronomie rasant an Fahrt aufgenommen. Fast ein Jahrhundert, nachdem Albert Einstein 1916 die Existenz von Gravitationswellen vorausgesagt hatte, konnten die LIGO-Observatorien in den USA solche Quellen 2015 erstmals direkt nachweisen. Seitdem ist die Zahl der bekannten Gravitationswellenquellen stark gewachsen und wird bis 2022 auf fast 100 Ereignisse ansteigen. Doch was sind Gravitationswellen?

Die allgemeine Relativitätstheorie postuliert, dass die Materie im Universum die Raum-Zeit krümmt, wobei die Krümmung davon abhängt, wie dicht die Materie ist. Wenn Massen beschleunigt werden, führt dies zu den „Gravitationswellen“ in der Krümmung der Raum-Zeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese Wellen können von den Interferometern LIGO und Virgo bei sehr energiereichen Ereignissen wie der Verschmelzung von kompakten Objekten wie Neutronensternen und schwarzen Löchern nachgewiesen werden.

Neutronensterne und Schwarze Löcher sind die Endstufen in der Entwicklung massereicher Sterne, deren Masse etwa acht Sonnenmassen übersteigt. Damit es zu einer Verschmelzung zweier solcher Objekte kommen kann, müssen mindestens zwei Sterne vorhanden sein, die durch die Schwerkraft aneinander gebunden sind. Diese beiden Sterne müssen sich von der Hauptreihe entwickeln, alle Phasen der Sternentwicklung überstehen (d. h. nicht vorzeitig verschmelzen) und als kompakte Objekte enden, die innerhalb des Alters des Universums (etwa 14 Milliarden Jahre) verschmelzen. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Kette von Ereignissen eintritt, ist gering, was sich wiederum auf die Nachweisraten von Gravitationswellen auswirkt.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Entwicklung von Doppelsternen zu untersuchen, um die Vorläufer von Gravitationswellen zu verstehen. Darüber hinaus tragen auch Mehrfachsterne höherer Ordnung, wie z. B. Dreifach- und Vierfach-Sternsysteme, wesentlich zur Verschmelzung kompakter Objekte bei. Dies liegt daran, dass massereiche Sterne, die schließlich zu kompakten Objekten werden, meist in Mehrfachsternsystemen zu finden sind. Zudem kann die langfristige oder „säkulare“ Entwicklung der Dynamik von Dreifach- und Vierfachsternsystemen komplex und chaotisch sein, mit Veränderungen der Bahnexzentrizitäten, die zu Verschmelzungen führen können.

In dieser Arbeit haben wir zwei Arten von Vierfachsternsystemen untersucht: 2+2- und 3+1- Vierfachsternsysteme (siehe Abb. 2). Beide Typen sind über lange Zeiträume stabil und wurden bereits beobachtet. Solche Mehrfach-Sternsysteme sind hierarchisch in dem Sinne, dass man sie als verschachtelte Doppelsternsysteme betrachten kann. Ein 2+2-Vierfachsystem besteht aus zwei„inneren“ Doppelsternsystemen, die sich gegenseitig umkreisen; ein 3+1-Vierfachsystem besteht aus einem inneren Doppelsternsystem, das von einem Begleiter umkreist wird, das wiederum von einem anderen, weiter entfernten Begleiter umkreist wird.

Aufgrund langfristiger Gravitationseffekte (d. h. der säkularen Entwicklung) sind diese verschachtelten Bahnen nicht statisch, sondern dynamisch, was bedeutet, dass sich die Exzentrizitäten der Bahnen im Laufe der Zeit ändern können. In unserer Studie haben wir den in unserer Gruppe entwickelten Code MSE (Multiple Stellar Evolution) verwendet, um 1,6 Millionen Vierfach-Sternsysteme über 10 Milliarden Jahre hinweg zu simulieren. Der MSE-Code enthält in sich konsistente Vorschriften für die Entwicklung von Einzel- und Doppelsternsystemen und die Gravitationsdynamik. Bei der Entwicklung von Doppelsternsystemen kann es zu einer Massenübertragung zwischen zwei Sternen kommen, die eine gemeinsame Hülle bilden können (auf Englisch: common envelope). Dieses Ereignis ist für die Verschmelzung von kompakten Objekten von entscheidender Bedeutung, da die Reibung mit der gemeinsamen Hülle eine wichtige Rolle dabei spielt, die beiden Kerne (und in der Folge Neutronensterne und Schwarze Löcher) nahe genug aneinander heranzuführen, damit sie innerhalb des Alters des Universums verschmelzen können.

Wir stellten fest, dass die meisten Verschmelzungen allein auf die Entwicklung der gemeinsamen Hülle zurückzuführen sind, je nach Modellannahme zwischen 70 und 85 %. Langfristige Gravitationsdynamik durch säkulare Evolution spielt bei der Verschmelzung kompakter Objekte ebenfalls eine Rolle, ebenso wie Supernova-Kicks. Denn diese Kicks führen fast immer zur Auflösung eines Doppelsternsystems und verhindern so eine Verschmelzung. Supernova-Kicks vermindern auch die Auswirkung von Exzentrizitätserhöhungen durch die säkulare Entwicklung. Daher wäre LIGO wahrscheinlich nicht in der Lage, signifikante Exzentrizitäten bei dem Nachweis von Gravitationswellen von einem anfänglichen Vierfach-Sternsystem zu beobachten. Aufgrund der zerstörerischen Natur der Kicks haben wir kein System gefunden, das mehr als zwei gebundene kompakte Objekte während einer Verschmelzung aufweist.

Was die Anzahl der Verschmelzungen von kompakten Objekten angeht, so ist es viel wahrscheinlicher, dass Gravitationswellen aus 2+2-Vierfachsternsystemen als aus 3+1- Vierfachsternsytemen stammen. Hierfür gibt es zwei Gründe. Erstens haben 3+1-Quadrupel eine höhere Wahrscheinlichkeit, aufgrund dynamischer Instabilität ungebunden zu werden. Zweitens haben 2+2-Vierlinge zwei relativ nahe innere Doppelsternsysteme, die beide eine potenzielle Verschmelzung mit einem kompakten Objekt hervorbringen können, während ein 3+1-Vierling nur ein einziges inneres und nahes Doppelsternsystem hat.

Die Verschmelzungsraten im Fall von zwei Schwarzen Löchern stellen einen signifikanten Bruchteil der von LIGO vorhergesagten Raten dar, während die anderen Verschmelzungsraten (Schwarzes Loch – Neutronenstern und Neutronenstern – Neutronenstern) hinter den LIGO-Schätzungen zurückbleiben. Dieser Mangel an Neutronensternverschmelzungen ist auch in anderen ähnlichen Studien zu beobachten. Aufgrund der hohen Anzahl von (destabilisierenden) Supernova-Kicks, die Neutronensterne erhalten, ist es schwierig, die LIGO-Raten für Neutronensternverschmelzungen zu replizieren. Darüber hinaus sind die LIGO-Raten für die Verschmelzung von Neutronensternen mit Schwarzen Löchern und zweiter Neutronensterne nicht eng bestimmt, weil bisher nur jeweils zwei solcher Ereignisse nachgewiesen wurden.

Die von uns gefundenen Verschmelzungsraten für kompakte Objekte sind auch mit denen von Zwei- und Dreifach-Sternsystemen vergleichbar. Dies bestätigt unsere anfängliche Erwartung, dass Vierergruppen bei der Untersuchung der Vorläufer von Gravitationswellen nicht ignoriert werden dürfen.

 

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