LB-1: Die Hα-Linie stellte die Hypothese eines Schwarzen Lochs mit 68 Sonnenmassen infrage

Das System LB-1 wurde zu einem prominenten Fall in der Debatte darüber, wie sich ein Schwarzes Loch, das einen Stern begleitet, identifizieren und vermessen lässt. Im Streit ging es nicht nur um eine Zahl: Entscheidend war, wie die Bewegung einer Spektrallinie zu deuten war und welches Objekt des Doppelsternsystems mit diesem Signal erfasst wurde. Die verfügbaren Artikel dokumentieren drei Schritte der Diskussion: die ursprüngliche Schätzung, eine Kritik an ihrer Interpretation und die Antwort der ursprünglichen Autoren.

Der ursprüngliche Vorschlag: ein sehr massereicher dunkler Begleiter

Im ursprünglichen Artikel, der am 27. November 2019 in Nature erschien, berichteten Jifeng Liu und seine Kollegen über zweijährige Messungen der Radialgeschwindigkeit des Sterns LB-1. Die Radialgeschwindigkeit gibt an, ob sich ein Objekt auf den Beobachter zu oder von ihm weg bewegt; sie wird aus der Verschiebung seiner Spektrallinien abgeleitet. LB-1 wurde als galaktischer Stern vom Typ B in einem Doppelsternsystem beschrieben: zwei gravitativ gebundene Objekte, die einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen.

Das Team deutete die Bewegung des sichtbaren Sterns und die einer Wasserstoff-Emissionslinie namens Hα gemeinsam. Nach ihrer Analyse erforderten diese Signale einen dunklen Begleiter mit einer geschätzten Masse von 68 Sonnenmassen; die angegebene Unsicherheit betrug −13 und +11 Sonnenmassen. Die Autoren schlossen, dass es sich bei dem Objekt nur um ein Schwarzes Loch handeln könne. Außerdem beschrieben sie das System als weites Doppelsternsystem mit einer Umlaufperiode von 78,9 Tagen.

Der Vorschlag hatte Folgen für das Verständnis der Entstehung stellarer Schwarzer Löcher. Der ursprüngliche Artikel merkte an, dass Gravitationswellenexperimente Schwarze Löcher ähnlicher Masse nachgewiesen hatten. Die Entstehung eines derart massereichen Objekts in einer Umgebung mit hoher Metallizität – also mit einem relativ hohen Anteil an Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind – sei jedoch nach den von den Autoren betrachteten Theorien der Sternentwicklung sehr schwierig. Diese Schwierigkeit machte die Deutung von LB-1 bedeutsam, klärte aber für sich genommen nicht die Masse des Begleiters.

Die Hα-Linie im Zentrum der Meinungsverschiedenheit

Eine spätere Kritik erschien am 29. April 2020 in Nature. Michael Abdul-Masih und seine Kollegen argumentierten, dass die scheinbaren Verschiebungen der zur Massenschätzung herangezogenen Hα-Linie nicht der Bewegung des Schwarzen Lochs folgten. Ihrer Deutung nach gingen sie auf die Umlaufbewegung des B-Sterns zurück. Daraus folgerten sie, dass die Daten keine Hinweise auf ein massereiches Schwarzes Loch zeigten und der Widerspruch zu Modellen der Entstehung bei galaktischer Metallizität entfiel.

Der Unterschied zwischen den beiden Positionen ist wichtig, um zu verstehen, was gemessen wurde. Eine spektroskopische Beobachtung erfasst Veränderungen des Lichts; um festzustellen, welche Komponente sie verursacht, müssen das Profil und die Verschiebung der Linien interpretiert werden. Wird das Hα-Signal dem einen oder dem anderen Objekt zugeschrieben, verändert sich die Deutung des Zusammenhangs zwischen der Bewegung des sichtbaren Sterns und der seines dunklen Begleiters. In der Diskussion ging es daher nicht einfach darum, zwischen zwei Zahlen zu wählen: Sie erforderte eine Neubewertung des Zusammenhangs zwischen dem Spektralsignal und den Umlaufbahnen der Objekte.

Die Antwort hält an einem breiten Massenbereich fest

Ebenfalls am 29. April 2020 veröffentlichten Liu und seine Kollegen in Nature eine Antwort auf die Kritik. Sie erklärten, sie hätten die ursprünglichen Argumente anhand neuerer spektroskopischer Beobachtungen und zusätzlicher Analysen erneut geprüft. Ihr Fazit lautete, dass die Daten weiterhin eine sehr hohe Masse des Schwarzen Lochs begünstigten: zwischen 23 und 65 Sonnenmassen. Für den Begleitstern, der Masse an das Schwarze Loch abgibt, nannte die Antwort einen wahrscheinlicheren Massenbereich von 5 bis 8 Sonnenmassen.

Die Antwort stellte diesen Bereich nicht als einzig mögliche Lösung dar. Die Autoren räumten ein, dass Lösungen mit geringerer Masse möglich seien, hielten sie jedoch für weniger wahrscheinlich. Außerdem nannten sie eine konkrete Voraussetzung, um die Frage zwischen den Lösungen zu klären: Es wären weitere astrometrische Daten von Gaia nötig, der Weltraummission der Europäischen Weltraumorganisation, die Positionen und Bewegungen von Sternen misst. Im Text werden diese Daten als künftig erforderlich beschrieben, um die Alternativen endgültig voneinander zu unterscheiden, nicht als bereits vorliegende Bestätigung.

Was aus den zitierten Arbeiten hervorgeht

Die drei Veröffentlichungen dokumentieren eine klar umrissene wissenschaftliche Kontroverse. Der Artikel von 2019 meldete eine Schätzung von 68 Sonnenmassen, gestützt auf zweijährige Messungen der Radialgeschwindigkeiten und die gemeinsame Deutung des B-Sterns und von Hα. Die Kritik von 2020 vertrat die Auffassung, dass die scheinbare Bewegung von Hα dem sichtbaren Stern zuzuordnen sei. Die Antwort der ursprünglichen Autoren hielt einen Bereich von 23–65 Sonnenmassen für am wahrscheinlichsten, räumte weniger massereiche Alternativen ein und erklärte, dass zusätzliche astrometrische Daten von Gaia helfen würden, zwischen den Möglichkeiten zu unterscheiden.

Das Ergebnis, das sich aus diesen Arbeiten beschreiben lässt, ist somit keine isolierte Zahl, sondern eine Abfolge von Messung, Interpretation und Überprüfung. Die dokumentierte Meinungsverschiedenheit betrifft den Ursprung der scheinbaren Bewegung von Hα und die aus dieser Deutung abgeleiteten Massen. In der Antwort bleibt eine sehr massereiche Lösung die von den Autoren bevorzugte, doch sie halten ausdrücklich fest, dass weitere Lösungen existieren und eine endgültige Unterscheidung neue astrometrische Daten erfordert. Diese Präzisierung ermöglicht es, den Fall darzustellen, ohne eine umstrittene Interpretation als von allen Teams geteilte Schlussfolgerung auszugeben.