Astrophysik Das Beben der Raumzeit: Entdeckung einer neuer Art von Gravitationswellen

Es gibt Ereignisse im Kosmos, die bringen das Grundgerüst des Universums ins Wanken. Sie haben solch eine Wucht, dass sie Beben auslösen. Solche, die die Struktur des Weltalls verändern. Zum ersten Mal haben Forscher jetzt beobachtet, wie unsere Raumzeit bebt, wenn ein Schwarzes Loch einen ganzen Stern verschluckt.

Illustration eines Schwarzes Loches, welches einen Neutronenstern schluckt 5 min
Illustration eines Schwarzes Loches, welches einen Neutronenstern schluckt Bildrechte: Carl Knox, OzGrav/Swinburne University

Albert Einstein hatte die Gravitationswellen vorhergesagt. 2017 wurden sie bestätigt und nun haben Forscher zum ersten Mal beobachtet, wie ein Neutronenstern von einem Schwarzen Loch verschluckt wurde.

MDR KULTUR - Das Radio Mi 21.07.2021 16:32Uhr 04:40 min

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Albert Einstein hatte sie vor hundert Jahren vorhergesagt: die Gravitationswellen. Damit ist eine Art Beben unseres dreidimensionalen Raumes gemeint, das sich mit Lichtgeschwindigkeit im Weltraum ausbreitet.

Dass es solche Beben wirklich gibt, das wissen Astrophysiker aber erst seit fünf Jahren. 2017 hatten sie erstmals die Existenz von Gravitationswellen im Kosmos nachgewiesen. Und nun gelang ihnen der nächste Schritt: Sie haben zum ersten Mal beobachtet, wie unsere Raumzeit bebt, wenn ein Schwarzes Loch einen ganzen Stern verschluckt.

Dave Reitze ist der Chef von LIGO, dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory in den USA. Mit diesem Observatorium suchen Astrophysiker nach Gravitationswellen, nach Verkrümmungen der Raumzeit.

Dieses Beben lässt die Raumzeit erzittern. Solch eine Gravitationswelle wandert eine Milliarde Jahre lang durch den Kosmos. Sie geht durch alles hindurch, durch jegliche Art von Materie, durch Sterne, bis sie auf der Erde ankommt. Sie dehnt und staucht den Raum, während sie vorbeizieht.

Dave Reitze, Chef vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)

Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern

Neben dem Observatorium in den USA gibt es aber auch andere Orte auf der Welt, die sich diesem Forschungsbereich widmen. Zusammen mit einem ähnlichen Instrument, dem VIRGO in Italien sei einem internationalen Forscherteam nun eine neuartige Beobachtung gelungen, wie Astrid Lamberts vom Observatoire de la Côte d'Azur in Nizza ergänzt:

Wir haben die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern entdeckt. Das sind zwei der extremsten Objekte im Universum. Ihre Masse ist so verdichtet, dass sie die Raumzeit ändern, wenn sie Gravitationswellen ausstoßen.

Astrid Lamberts, Observatoire de la Côte d'Azur in Nizza

Der Neutronenstern war etwa doppelt so massereich wie unsere Sonne. Das Schwarze Loch hingegen kam fast auf die zehnfache Sonnenmasse. Dieser Kampf im All sei also alles andere als fair verlaufen, findet Harald Pfeiffer vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.

Dementsprechend war das dann auch ein sehr ungleiches Treffen. Das Schwarze Loch hat den Neutronenstern verspeist. Der Neutronenstern wurde einfach aufgefressen.

Prof. Dr. Harald Pfeiffer, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam

Phänomen der Dunkelheit

Zu sehen gab es hier nichts. Denn im Unterschied zu anderen Phänomenen im All hat der Neutronenstern keinen Lichtblitz produziert. Es habe kein letztes Aufbäumen gegen die übermächtige Schwerkraft des Schwarzen Lochs gegeben, ergänzt Tim Dietrich vom Institut für Physik und Astronomie der Uni Potsdam.

Das war diesmal nicht der Fall, weil aufgrund der Masse des Schwarzen Lochs und aufgrund der Masse des Neutronensterns und wie sich das Ganze abgespielt hat, eben der Neutronenstern einfach nur in das Schwarze Loch hineingefallen ist und einfach nur verschluckt wurde. Er bleibt mehr oder minder an einem Stück der Neutronenstern und fällt wirklich in einem Stück hinein. Er ist verschluckt worden, und dann bricht das Signal auch wirklich ab.

Prof. Dr. Tim Dietrich, Institut für Physik und Astronomie der Uni Potsdam

Dieses Signal hatte vor seinem Abbruch – vor dem Moment des Verschlucktwerdens also – extrem an Tempo gewonnen. Die beiden Objekte, Schwarzes Loch und Neutronenstern, waren sich am Ende bis auf rund 500 Kilometer nähergekommen. Mit einer Geschwindigkeit von fast 200 Millionen Kilometern pro Stunde haben sie sich gegenseitig umkreist, und zwar 100-mal in der Sekunde. Was dabei genau geschah, erzählt Harald Pfeiffer:

Die Wellen sind entstanden in der Zeit vor der Verschmelzung, weil vorher der Neutronenstern in einer Kreisbahn um das Schwarze Loch rotiert ist. Und bei jedem Umlauf sendet der Neutronenstern Gravitationswellen aus. Und die bewegen sich durch das Universum und treffen irgendwann hier auf die Erde und auch auf die Gravitationswellendetektoren in der Erde und werden dann durch extrem kleine Änderungen an den Spiegeln im Detektor gemessen.

Harald Pfeiffer, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam

Anhand der erhaltenden Daten durch diese Detektoren konnten die Forscher erkennen, "dass die Umlaufgeschwindigkeit des Neutronensterns immer zunimmt, schneller und schneller wird, und dann hört das Signal plötzlich auf zu dem Zeitpunkt, wo der Neutronenstern von dem Schwarzen Loch aufgefressen wird".

Simuliertes Standbild, das die Gezeitenzerstörung eines Neutronensterns durch ein Schwarzes Loch zeigt. Bei der Annäherung des Neutronensterns an das Schwarze Loch überwältigen die Gezeitenkräfte die Eigengravitation des Neutronensterns, was zu seiner Zerstörung führt. In dieser Simulation ist das Schwarze Loch doppelt so massereich wie der Neutronenstern und beide drehen sich nicht. (Während die beiden entdeckten NSBH-Systeme, über die hier berichtet wird, keine Anzeichen für eine Gezeitenspaltung zeigen, illustriert diese Simulation den Prozess der Gezeitenspaltung in einem NSBH-Doppelsternsystem mit unterschiedlichen Massen).
Simuliertes Standbild, das die Gezeitenzerstörung eines Neutronensterns durch ein Schwarzes Loch zeigt. Bei der Annäherung des Neutronensterns an das Schwarze Loch überwältigen die Gezeitenkräfte die Eigengravitation des Neutronensterns, was zu seiner Zerstörung führt. In dieser Simulation ist das Schwarze Loch doppelt so massereich wie der Neutronenstern und beide drehen sich nicht. (Während die beiden entdeckten NSBH-Systeme, über die hier berichtet wird, keine Anzeichen für eine Gezeitenspaltung zeigen, illustriert diese Simulation den Prozess der Gezeitenspaltung in einem NSBH-Doppelsternsystem mit unterschiedlichen Massen). Bildrechte: Deborah Ferguson (UT Ausitn), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech), und Karan Jani (Vanderbilt)

Zwei Orte, die selben Signale, zu unterschiedlichen Zeiten

Beide Detektoren – in den USA und in Italien – habe das gleiche Signal entdeckt, aber zu minimal unterschiedlichen Zeiten. Aus dieser Abweichung können Astrophysiker die Position des Ereignisses am Firmament lokalisieren. Es geschah etwas rechts vom Sternbild Orion und etwas unterhalb des Sternhaufens der Plejaden. Und es sei außerhalb der Galaxis passiert, so Tim Dietrich.

Das war weit, weit, weit, weit weg... viel, viel weiter weg als in unserer Milchstraße.

Prof. Dr. Tim Dietrich

Nämlich ungefähr eine Milliarde Lichtjahre weit entfernt. Die Gravitationswellen waren also eine Milliarde Jahre unterwegs, bevor sie auf die Erde und damit auf die Detektoren in den USA und in Italien trafen. Eine späte Genugtuung für die Astrophysiker – und für Albert Einstein

Es war eine Bestätigung von Dingen, die man so ein bisschen erwartet hatte. Das kann man schon so sagen. Man hat darauf gewartet, dass man solche Signale auch endlich einmal sehen müsste. Es war vorhergesagt, dass es die gibt, und da hat's eine relativ gute Antwort draufgegeben.

Prof. Dr. Tim Dietrich

Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns, der mit einem Schwarzen Loch verschmilzt.
Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns, der mit einem Schwarzen Loch verschmilzt. Bildrechte: Soheb Mandhai / LIGO-India

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Das Schwarze Loch M 87* im geometrischen Modell und aufgenommen von EHT-Teleskopen in den Jahren 2009 bis 2017. Der Durchmesser der Ringe ist gleich, nur die hellen Stellen variieren. mit Video
Das Schwarze Loch M 87* im geometrischen Modell und aufgenommen von EHT-Teleskopen in den Jahren 2009 bis 2017. Der Durchmesser der Ringe ist gleich, nur die hellen Stellen variieren. Bildrechte: M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration