Gravitationswellen Schwarze Löcher kollidieren im Wochentakt

Physiker messen inzwischen regelmäßig Gravitationswellen von kollidierenden schwarzen Löchern. Allerdings wissen sie nicht, wo diese Zusammenstöße passiert sind. Jetzt gibt es einen Vorschlag, den Fusionen auf die Spur zu kommen.

Künstlerische Darstellung eines schwarzen Lochs mit einer breiten Akkretionsscheibe aus kosmischem Gas.
Künstlerische Darstellung eines schwarzen Lochs mit einer breiten Akkretionsscheibe aus kosmischem Gas. Bildrechte: NASA/JPL-Caltech

Die Messung von Gravitationswellen im September 2015 war ein gewaltiger Durchbruch für die Wissenschaft der Astronomie. Zum ersten Mal war es gelungen, eine Welle in der Raumzeit festzustellen, die durch die Kollision zweier schwarzer Löcher ausgelöst worden war.

Albert Einsteins Theorien hatten die Existenz solcher Wellen vorausgesagt. Grob zusammengefasst entstehen sie, wenn Masse, also Materie, beschleunigt wird. Entlang der Ausbreitung der Welle wird der Raum selbst gedehnt und gestreckt.

Da diese Dehnungen und Streckungen aber winzig sind, brauchen Forscher hochpräzise Instrumente, um sie messen zu können. Deswegen war jahrzehntelange Arbeit an Laserinferometern notwendig, bevor der Durchbruch gelingen konnte.

Einmal pro Woche kollidieren im Universum zwei schwarze Löcher

Seitdem ist die Arbeit noch präziser geworden, sind weitere Detektoren hinzugekommen. Zu den beiden LIGO-Observatorien in den USA kam der europäische VIRGO in Norditalien. In Deutschland wird bei Hannover mit GEO600 nach Graviationswellen gefahndet. In Japan startet demnächst KAGRA mit eigenen Messungen und in Indien ist mit dem US-indischen Kooperationsprojekt INDIGO ein sechstes Instrument in Planung. Die Wissenschaftler messen inzwischen regelmäßig Gravitationswellen, die von kollidierenden schwarzen Löchern oder Neutronensternen ausgesendet werden.

Bei dem Anfang April 2019 gestarteten dritten gemeinsamen Beobachtungslauf von LIGO und VIRGO wurden bislang insgesamt 35 potenzielle Gravitationswellen-Ereignisse gemessen. Die Zahl ist aber nur vorläufig, da nähere Untersuchungen noch zeigen müssen, ob Fehler passiert sind. Eine aktuelle Studie unter Beteiligung des Nationalen Naturhistorischen Museums der USA fasst allerdings bereits zusammen: Die von solchen Fusionen ausgelösten Wellen kommen offenbar im Wochentakt bei der Erde an.

Quellen der Gravitationswellen sind noch schwierig zu lokalisieren

Um mehr Informationen über den jeweiligen Ausgangspunkt einer Gravitationswelle zu erhalten, müssen erste alle fünf Inferometer voll arbeitsfähig sein. Mit optischen Teleskopen ist das Problem bislang kaum lösbar: Weil schwarze Löcher Licht verschlucken, ist durch die Teleskope kaum etwas zu sehen.

Der nun in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters erschienene Berichte von Barry McKernan und Kollegen enthält aber Vorschläge, wie Astronomen den Tatorten solcher Zusammenstöße doch auf die Spur kommen können.

Fusionen von schwarzen Löchern im Orbit noch größerer schwarzer Löcher

Die Forscher gehen zunächst davon aus, dass sich schwarze Löcher aufgrund ihrer enormen Schwerkraft aufeinander zubewegen. Deshalb sammeln sie sich in den galaktischen Zentren, wo sich supermassereiche Schwarze Löcher befinden. Es sei also wahrscheinlich, dass kleinere Schwarze Löcher in einen Orbit um ein supermassereiches Schwarzes Loch geraten. Sammeln sich in dieser Umlaufbahn ebenfalls Staub und Gas, formt sich eine Akkretionsscheibe. Dieser Staub könnte die kleinen schwarzen Löcher näher aneinander drücken und so die Fusion auslösen.

In diesem Fall würde die Fusion auch Schockwellen im Gas in der Akkretionsscheibe auslösen, glauben McKernan und Kollegen. Sie argumentieren: Sei die Scheibe dünn genug, müssten solche Schocks ein Glühen auslösen, welches bei großflächiger Himmelsbeobachtungen beobachtbar sein müsste.

Dieses Thema im Programm: MDR FERNSEHEN | Wie klingt der Urknall | 20. Januar 2019 | 22:20 Uhr

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Künstlerische Darstellung: Der Stern wird durch die Gravitation des schwarzen Loches in die Länge gezogen und in einer Umlaufbahn um das schwarze Loch herumgeschleudert, bis er schließlich mit sich selbst kolidiert, wobei noch mehr heißes Material ins All geschleudert wird.
Künstlerische Darstellung: Der Stern wird durch die Gravitation des schwarzen Loches in die Länge gezogen und in einer Umlaufbahn um das schwarze Loch herumgeschleudert, bis er schließlich mit sich selbst kolidiert, wobei noch mehr heißes Material ins All geschleudert wird. Bildrechte: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science