Revising the Spin and Kick Connection in Isolated Binary Black Holes

Schwarze Löcher sind die extremsten Objekte im Universum, geboren aus dem gewaltsamen Kollaps massereicher Sterne. Seit Jahrzehnten versuchen Astronomen, ein spezifisches, hartnäckiges Rätsel über sie zu lösen: Woher kommt ihr Spin? Wenn ein Stern kollabiert, dreht er sich oft schneller, ganz ähnlich wie eine Eiskunstläuferin, die ihre Arme anzieht. Die vorherrschende Theorie lautete, dass schwarze Löcher diesen Spin einfach von ihren Elternsternen erben. Da Sterne in Doppelsternsystemen meist in dieselbe Richtung rotieren, in der sie einander umkreisen, sagte diese Theorie voraus, dass die daraus resultierenden schwarzen Löcher ebenfalls perfekt auf ihre Umlaufbahn ausgerichtet rotieren sollten. Wäre dies der Fall, würde dies den Astronomen einen zuverlässigen Weg bieten, um zu bestimmen, wie schwarze Löcher entstanden sind. Jene, die einsam in den stillen Feldern zwischen den Sternen geboren wurden, sollten ordentlich mit ihrem Partner rotieren, während jene, die durch Zufall in überfüllten Sternhaufen zusammengestoßen sind, in zufällige Richtungen rotieren sollten.

Jüngste Beobachtungen von Gravitationswellendetektoren haben dieses ordentliche Bild jedoch in Unordnung gebracht. Wissenschaftler haben Verschmelzungen schwarzer Löcher entdeckt, bei denen die Spins in wilden Winkeln oder sogar rückwärts zur Umlaufbahn rotieren. Diese „fehl ausgerichteten“ Spins wurden traditionell als Beweis dafür gewertet, dass die schwarzen Löcher in dicht gedrängten Umgebungen dynamisch zusammengesetzt wurden, anstatt gemeinsam geboren zu werden. Doch eine neue Studie stellt diese Annahme infrage und legt nahe, dass die Geschichte des Spins schwarzer Löcher weit komplizierter ist als einfache Vererbung. Die Forscher schlagen vor, dass die gewaltsame Geburt eines schwarzen Lochs Prozesse beinhalten könnte, die seine Spinrichtung durcheinanderbringen und so eine Fehlstellung selbst bei Paaren erzeugen, die isoliert entstanden sind.

Das Team unter der Leitung von Vishal Baibhav und Vicky Kalogera unternahm den Versuch, diese Idee zu testen, indem es vier verschiedene Wege untersuchte, wie ein schwarzes Loch seinen Spin erwerben könnte. Der erste ist die traditionelle Sichtweise: Der Spin wird direkt vom Elternstern geerbt, wodurch er mit der Umlaufbahn ausgerichtet bleibt. Die anderen drei sind chaotischere Möglichkeiten. In einem Szenario wird der Spin durch turbulente Prozesse im sterbenden Stern zufällig erzeugt, wobei er mit gleicher Wahrscheinlichkeit in jede beliebige Richtung zeigt. Im zweiten Szenario richtet sich der Spin nach dem „Kick“ aus, den das schwarze Loch bei seiner Geburt erhält – einem plötzlichen Stoß, der durch eine ungleichmäßige Explosion verursacht wird. Im dritten Szenario zeigt der Spin senkrecht zu diesem Kick. Die Forscher nutzten Computersimulationen, um zu modellen, wie diese unterschiedlichen Spinrichtungen aussehen würden, nachdem die schwarzen Löcher entstanden sind und begannen, einander zu umkreisen, wobei sie speziell untersuchten, wie der gewaltsame Geburtsvorgang, bekannt als Kernkollaps, die Umlaufbahn selbst kippt.

Ihre Simulationen zeigten, dass die alte Annahme – dass isolierte Doppelsterne stets ausgerichtete Spins haben müssen – nicht zwangsläufig wahr ist. Sie fanden heraus, dass, wenn der Spin eines schwarzen Lochs an die Richtung seines Geburts-Kicks gebunden ist oder wenn er zufällig erzeugt wird, das resultierende System große Fehlstellungen oder sogar retrograde Spins aufweisen kann, bei denen das schwarze Loch rückwärts relativ zu seiner Umlaufbahn rotiert. Dies geschieht, weil der Kick, der das schwarte Loch wegstößt, auch die gesamte Umlaufbahn des Doppelsternsystems kippt. Je nach Stärke des Kicks und der Richtung des Spins kann das Endergebnis genau wie ein System aussehen, das durch Zufall in einem überfüllten Cluster zusammengebracht wurde, obwohl es ruhig in Isolation entstand.

Diese Entdeckung hat tiefgreifende Auswirkungen darauf, wie wir die Signale kollidierender schwarzer Löcher interpretieren. Die Studie legt nahe, dass das Vorhandensein eines gekippten oder eines Rückwärts-Spins nicht für sich genommen der Beweis für ein dynamisch zusammengesetztes System ist. Ein Doppelsternpaar, das in einem ruhigen Feld entstanden ist, kann leicht eine chaotische Spinorientierung erhalten, wenn die Physik seiner Geburt alternative Mechanismen beinhaltete. Die Forscher ließen ihre Modelle gegen Daten von 257 Verschmelzungen schwarzer Löcher laufen, die von der LIGO-Virgo-Kagra-Kollaboration detektiert wurden. Sie fanden heraus, dass einige Ereignisse das traditionelle Modell der Ausrichtung stark stützen, während andere besser durch diese alternativen Theorien der Spin-Generierung erklärt werden können. Insbesondere ein Ereignis, das einen möglichen Neutronenstern und ein schwarzes Loch betraf, zeigte einen Rückwärts-Spin, der mit der alten Theorie nur sehr schwer zu erklären ist, aber natürlich zu den neuen Modellen passt.

Das Paper behauptet nicht, das Rätsel um den Spin schwarzer Löcher gelöst zu haben, noch beweist es, dass isolierte Doppelsterne die Quelle aller fehl ausgerichteten Systeme sind. Es demonstriert stattdessen, dass die Bandbreite der Möglichkeiten, wie isolierte Doppelsterne sich verhalten, viel größer ist als bisher angenommen. Indem die Autoren die Annahme lockern, dass der Spin vererbt werden muss, zeigen sie, dass der „Fingerabdruck“ des Ursprungs eines Doppelsternsystems verschwimmt. Die deutlichen Signaturen, auf die Astronomen gehofft hatten, um Feld-Doppelsterne von Cluster-Doppelsternen zu unterscheiden, sind nicht mehr so eindeutig wie einst geglaubt. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Wissenschaftler, um wirklich zu verstehen, woher diese kosmischen Giganten stammen, die Population als Ganzes betrachten müssen, anstatt jedes Ereignis isoliert zu beurteilen, und bereit sein müssen für die Möglichkeit, dass die gewaltsame Physik der Geburt eines schwarzen Lochs die Regeln seines Tanzes mit seinem Partner umschreiben kann.