Astronomie: Das Ende der Giganten und die kosmische Massenlücke
Wenn ein massereicher Stern seinen Brennstoff verbraucht hat, kollabiert sein Kern unter der eigenen Schwerkraft. Das Ergebnis ist eine Supernova – eine Explosion von immenser Leuchtkraft, die entweder einen extrem dichten Neutronenstern oder ein schwarzes Loch zurücklässt. Doch massereiche Sterne können so heftig explodieren, dass sie weder das eine noch das andere hinterlassen(öffnet im neuen Fenster).
Bereits seit den 1960er Jahren spekuliert Fachwelt über die Existenz dieser ultramächtigen Supernovae. Den bisher präzisesten, wenn auch indirekten Beweis für dieses Phänomen hat kürzlich eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung der australischen Monash University entdeckt.
Das Fehlen von bestimmten schwarzen Löchern
Es geht dabei um Sterne, deren Masse etwa 140- bis 260-mal größer ist als die der Sonne. Ihre Lebensdauer ist relativ kurz, etwa ein paar Millionen Jahre. Diese massereichen Sterne brennen etwa tausendmal schneller aus als unsere Sonne, die für etwa zehn Milliarden Jahre existieren wird.
Was am Ende von einem Stern übrig bleibt, hängt primär von seiner ursprünglichen Masse ab. Während Sterne mittlerer Größe zu Neutronensternen kollabieren, bilden noch größere Exemplare schwarze Löcher: Objekte von so extremer Dichte, dass nicht einmal Licht ihrer Gravitation entkommen kann.
Das Forschungsteam durchforstete Daten von 153 Paaren schwarzer Löcher. Anhand der von ihnen ausgehenden Gravitationswellen konnten ihre Massen exakt bestimmt werden. Dabei filterte die Arbeitsgruppe gezielt Objekte heraus, die bereits durch frühere Verschmelzungen entstanden waren, um ein unverfälschtes Bild der primären Sternenüberreste zu erhalten.
Das Team stellte ein signifikantes Fehlen von schwarzen Löchern im Bereich von etwa 44 bis 116 Sonnenmassen fest. Dieser Bereich wird in der Fachwelt als Upper Stellar Mass Gap oder verbotener Bereich bezeichnet.
Die Paarinstabilitäts-Supernova
Dieses Fehlen lässt sich am besten dadurch erklären, dass die größten Sterne, von denen eigentlich die Entstehung schwarzer Löcher zu erwarten wäre, am Ende ihrer Lebensdauer durch eine seltene und totale Art von Explosion ausgelöscht werden. Bei dieser sogenannten Paarinstabilitäts-Supernova (Pair-Instability Supernova, PISN) bleibt keine Singularität zurück; der Stern wird spurlos zerfetzt.
Die entsprechenden Sterne bilden im Laufe ihrer Entwicklung einen riesigen Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Damit dieser stabil bleibt, muss ein exaktes Gleichgewicht herrschen: Der nach innen gerichtete Druck der Gravitation muss durch den nach außen gerichteten Druck hochenergetischer Photonen – der Lichtteilchen – ausgeglichen werden.
Einige der Photonen wandeln sich bei den extremen Temperaturen in diesen Riesensternen in Paare subatomarer Teilchen um, in Elektronen und Positronen. Da diese Materieteilchen keinen Strahlungsdruck mehr ausüben, bricht die Stütze des Sterns von innen heraus zusammen.
Bei der Paarinstabilität verwandelt sich die Energie, die den Druck aufrechterhalten würde, in Materie um. Der Druck fällt schlagartig ab, der Kern wird instabil und gerät außer Kontrolle. Dies führt zu einer gigantischen thermonuklearen Explosion, die den gesamten Stern innerhalb kürzester Zeit zerreißt.
Zwar wurden bereits Kandidaten wie superluminöse Supernovae identifiziert, die mehr als 10 Milliarden Mal heller als die Sonne sein können, doch der nun präsentierte statistische Beweis über die Massenlücke der schwarzen Löcher gilt als der bisher stärkste Beleg für das Phänomen.
Zur Studie
Die Studie wurde am 1. April 2026 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht: Evidence of the pair-instability gap from black-hole masses(öffnet im neuen Fenster) (Belege für die Paarinstabilitätslücke durch Massen von schwarzen Löchern).
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