Massenlücke
Die Massenlücke ist ein Bereich von Massen, in dem Astronomen fast keine Himmelskörper finden, obwohl dort welche sein müssten. Am bekanntesten ist die Lücke zwischen den schwersten Neutronensternen und den leichtesten schwarzen Löchern.
Wenn ein sehr schwerer Stern seinen Brennstoff verbraucht hat, stürzt sein Inneres zusammen. Übrig bleibt entweder ein extrem dichter Sternrest, ein sogenannter Neutronenstern, oder ein schwarzes Loch, also ein Objekt mit so starker Schwerkraft, dass nicht einmal Licht entkommt. Wenn Forscher die Gewichte all dieser Reste in eine Liste eintragen, fällt etwas auf: bestimmte Gewichtsbereiche kommen kaum vor. Genau so einen auffällig leeren Bereich nennt man eine Massenlücke. Der Begriff beschreibt also keine Lücke im Weltraum, sondern eine Lücke in der Statistik. Die Frage dahinter lautet: Fehlen dort wirklich Objekte, oder finden wir sie nur nicht?
Warum leere Stellen in der Statistik Physik verraten
Eine Massenlücke ist für die Forschung wertvoll, weil sie eine Vorhersage prüfbar macht. Theorien über das Sterben von Sternen sagen ziemlich genau, welche Endprodukte entstehen können. Wenn ein bestimmtes Gewicht laut Theorie unmöglich ist, dann darf man solche Objekte auch nicht messen. Findet man doch eines, muss die Theorie nachgebessert werden.
Besonders diskutiert wird die Lücke zwischen etwa 2,5 und 5 Sonnenmassen. Eine Sonnenmasse ist dabei das Gewicht unserer Sonne als Vergleichseinheit. Schwerer als rund 2,5 Sonnenmassen kann ein Neutronenstern kaum sein, weil er dann unter seiner eigenen Schwerkraft weiter zusammenbricht. Zugleich wurden lange kaum schwarze Löcher unter 5 Sonnenmassen beobachtet. Dazwischen lag also ein seltsam leerer Streifen.
Eine zweite Massenlücke liegt viel höher, etwa zwischen 65 und 120 Sonnenmassen. Sehr massive Sterne zerreißen sich in dieser Größenordnung bei der Explosion vollständig selbst. Sie hinterlassen dann gar keinen Rest, der zu einem schwarzen Loch werden könnte. Objekte in diesem Bereich sind deshalb ein Hinweis darauf, dass sie durch Verschmelzung kleinerer schwarzer Löcher entstanden sind.
Wie man die Gewichte im All überhaupt bestimmt
Man kann kein schwarzes Loch auf eine Waage stellen. Stattdessen nutzt man seine Wirkung auf die Umgebung. Kreist ein normaler Stern um ein unsichtbares Objekt, lässt sich aus der Umlaufzeit und der Größe der Bahn das Gewicht berechnen. Dieses Prinzip ist dasselbe, mit dem man aus der Erdumlaufbahn die Masse der Sonne bestimmt.
Die meisten neuen Daten kommen heute von Gravitationswellen. Das sind winzige Erschütterungen des Raums, die entstehen, wenn zwei schwere Objekte umeinander kreisen und verschmelzen. Detektoren wie LIGO in den USA und Virgo in Italien messen diese Erschütterungen mit kilometerlangen Laser-Anlagen. Aus dem Muster des Signals lesen Forscher ab, wie schwer die beiden Objekte waren.
Ein häufiger Irrtum ist, eine Massenlücke sei ein bewiesenes Naturgesetz. Sie ist zunächst nur eine Beobachtungslage, und Beobachtungen haben blinde Flecken. Leichte schwarze Löcher sind zum Beispiel schwerer aufzuspüren als schwere, weil ihr Signal schwächer ist. Ein solcher Effekt kann eine Lücke vortäuschen, die es gar nicht gibt. Deshalb wird jede Messung im Lückenbereich sehr genau geprüft.
Die Lücke in Schlagzeilen und Forschungsdaten
In Meldungen über neue Gravitationswellen-Funde taucht der Begriff regelmäßig auf. Typische Formulierungen sind « Objekt in der Massenlücke entdeckt » oder « Rätsel um fehlende schwarze Löcher ». 2020 meldete das LIGO-Virgo-Team ein Objekt mit rund 2,6 Sonnenmassen, dessen Natur unklar blieb. Es war entweder der schwerste bekannte Neutronenstern oder das leichteste bekannte schwarze Loch.
Der Begriff wird außerdem in der Teilchenphysik verwendet, dort mit anderer Bedeutung. Gemeint ist der Mindestenergiebetrag, den ein Teilchen in einer bestimmten Theorie haben muss. Wer den Ausdruck in einem Text liest, sollte deshalb kurz prüfen, um welches Fachgebiet es geht. In den Astronomie-Nachrichten ist fast immer die Lücke bei den Sternresten gemeint.
Praktisch relevant ist das Thema, weil jede neue Beobachtung die Modelle des Sternentods schärft. Diese Modelle stecken wiederum in den Simulationen, mit denen die Entwicklung ganzer Galaxien berechnet wird. Mit jedem Beobachtungslauf der Detektoren wächst die Statistik. Ob die Massenlücke am Ende bestehen bleibt oder sich langsam füllt, ist derzeit offen.