Astronomen entdeckten die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit Objekten mit sehr unterschiedlicher Masse
In einer weiteren Premiere meldeten Wissenschaftler der Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo ein Signal, das sie noch nie zuvor gesehen hatten. Während dank LIGO und Virgos internationalem Netzwerk für Detektoren viele Verschmelzungen Schwarzer Löcher entdeckt wurden, war dieses spezielle Signal (GW190412) das erste, bei dem die beiden Schwarzen Löcher deutlich unterschiedliche Massen aufwiesen.
Das Ereignis wurde sowohl von LIGO als auch von Virgo am 12. April 2019 beobachtet, zu Beginn des dritten Beobachtungslaufs der Detektoren (O3). Laut der Studie, die den Fund beschreibt, die kürzlich aufgetaucht ist online und der LIGO-Website , GW190412 fand etwa 1,9 bis 2,9 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt statt. Dabei handelte es sich um die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mit einem Gewicht von etwa 8 bzw. 30 Sonnenmassen.
Das Ereignis ist einzigartig in der Geschichte der Gravitationswellenastronomie, da alle zuvor von den LIGO- und Virgo-Detektoren beobachteten Doppelsterne aus zwei ungefähr ähnlichen Massen bestanden. Analysen zeigen, dass die Verschmelzung in einer Entfernung von 1,9 bis 2,9 Milliarden Lichtjahren von der Erde stattfand. Das neue ungleiche Massensystem ist eine einzigartige Entdeckung, da alle zuvor von den LIGO- und Virgo-Detektoren beobachteten Binärdateien aus zwei ungefähr ähnlichen Massen bestanden.
Künstlerische Darstellung der Verschmelzung von binären Schwarzen Löchern. Bildnachweis: LIGO/A. Simonnet.
Dieser starke Massenunterschied ermöglichte es den LIGO/Virgo-Wissenschaftlern, etwas zu überprüfen, das von vorhergesagt wurde Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie , die bisher ungetestet geblieben ist. Frank Ohme ist der Leiter der Unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe – aka. die „Binary Merger Observations and Numerical Relativity“ – am Albert-Einstein-Institut (AEI). Wie er in einem kürzlich veröffentlichten AEI . feststellte Pressemitteilung :
„Zum ersten Mal haben wir in GW190412 das unverwechselbare Gravitationswellenbrummen einer höheren Harmonischen ‚gehört‘, ähnlich den Obertönen von Musikinstrumenten. In Systemen mit ungleichen Massen wie GW190412 – unserer ersten Beobachtung dieser Art – sind diese Obertöne im Gravitationswellensignal viel lauter als bei unseren üblichen Beobachtungen. Deshalb konnten wir sie vorher nicht hören, aber in GW190412 können wir es endlich.“
Diese Beobachtungen bestätigen einmal mehr die Allgemeine Relativitätstheorie (GR), die besagt, dass massereiche Objekte die Krümmung der Raumzeit verändern und „Wellen“ verursachen – aka. Gravitationswellen – wenn sie verschmelzen. Die Theorie sagt auch voraus, dass binäre Systeme, in denen sich zwei Objekte in Bezug auf die Masse stark unterscheiden, höhere „Oberwellen“ in die Wellenform einführen werden.
Als die Kollaborationen von LIGO und Virgo das von GW190412 erzeugte Signal untersuchten, beobachteten sie zum ersten Mal in der Geschichte genau dieses Phänomen bei der Arbeit. Kurz gesagt, die Grundfrequenz der GWs war zwei- bis dreimal höher als bei allen anderen bisher entdeckten Ereignissen.
Dazu Roberto Cotesta, Doktorand in der Abteilung „Astrophysikalische und kosmologische Relativität“ am AEI in Potsdam:
„Die Schwarzen Löcher im Herzen von GW190412 haben die 8- bzw. 30-fache Masse unserer Sonne. Dies ist das erste binäre Schwarze-Loch-System, das wir beobachtet haben, bei dem der Unterschied zwischen den Massen der beiden Schwarzen Löcher so groß ist! Dieser große Massenunterschied bedeutet, dass wir mehrere Eigenschaften des Systems genauer messen können: seine Entfernung zu uns, den Winkel, aus dem wir es betrachten, und wie schnell sich das schwere Schwarze Loch um seine Achse dreht.“
Ein weiterer Vorteil dieser neuesten Entdeckung besteht darin, dass das Team die astrophysikalischen Eigenschaften des Systems mit größerer Präzision messen konnte. Kurz gesagt prägen sich ungleiche Massen in ein GW-Signal ein, was es den Wissenschaftlern wiederum ermöglicht, Eigenschaften wie die Masse und den Spin der verschmelzenden Objekte sowie die Entfernung zur Quelle und den Beobachtungswinkel genauer zu messen.
Wesentlich dafür waren die genauen Modelle von GWs, die aus koaleszierenden Schwarzen Löchern erzeugt wurden und von Forschern des Albert-Einstein-Instituts bereitgestellt wurden. Zum ersten Mal umfassten diese Modelle sowohl die Präzession der Spins der Schwarzen Löcher als auch Multipolmomente jenseits des dominanten Quadrupols – die für die Messung ihrer Eigenschaften und die Durchführung von Tests von GR entscheidend waren.
Grafik, die die Massen für Schwarze Löcher zeigt, die durch Strahlung und Gravitationswellen nachgewiesen wurden. Bildnachweis und ©: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern
Maßgeblichen Anteil an der Analyse des Signals hatten auch die Hochleistungsrechner-Cluster „Minerva“ und „Hypatia“ der Institute am AEI Potsdam und „Holodeck“ am AEI Hannover. Laut Alessandra Buonanno, Direktorin der Abteilung „Astrophysical and Cosmological Relativity“ am AEI, konnte diese Art von einzigartigem Signal in den beiden vorherigen Beobachtungsläufen nicht entdeckt werden. Wie sie sagte:
„Während O1 und O2 haben wir die Spitze des Eisbergs der binären Population beobachtet, die aus Schwarzen Löchern mit stellarer Masse besteht. Dank der verbesserten Empfindlichkeit hat GW190412 begonnen, uns eine vielfältigere, untergetauchte Population zu enthüllen, die durch eine Massenasymmetrie von bis zu 4 und Schwarze Löcher gekennzeichnet ist, die sich bei etwa 40% des möglichen Maximalwerts drehen, der von der allgemeinen Relativitätstheorie zugelassen wird.“
Ein weiterer Grund, warum diese Art der Beobachtung bisher nicht möglich war, hat mit den jüngsten Upgrades an allen Detektoren im internationalen LIGO/Virgo-Netzwerk zu tun. Dazu gehört eine neue Technik, bei der die quantenmechanischen Eigenschaften der von LIGO und Vigro verwendeten Laser „gequetscht“ werden, um die Empfindlichkeit der Detektoren zu erhöhen.
Eine Momentaufnahme einer Simulation, die ein binäres Schwarzes Loch zeigt, das sich im Zentrum eines dichten Sternhaufens gebildet hat. Bildnachweis: Nordwestliche Visualisierung/Carl Rodriguez
Diese Technik wurde von Forschern des deutsch-britischen GEO600 Detektor in Süd-Hannover, Deutschland – entworfen und betrieben von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts und mehrerer europäischer Universitäten. Die Technik hat die Empfindlichkeit des GEO600-Detektors um den Faktor zwei verbessert und das AEI führt die weltweiten Bemühungen an, die Effektivität der „Light-Squeezing“-Technik weiter zu maximieren.
Als das erste GW-Ereignis von Wissenschaftlern von LIGO in . entdeckt wurde Februar 2016 , es signalisierte ein neues Zeitalter in der Astronomie. In etwas mehr als vier Jahren haben Verbesserungen an einzelnen Detektoren und internationale Kooperationen eine Ära eingeläutet, in der jede Woche Ereignisse entdeckt werden.
Mit jeder neuen Entdeckung lernen wir mehr über die exotische Physik, die unser Universum antreibt. Sehen Sie sich diese Simulation des Zusammenschlusses von GW190412 mit freundlicher Genehmigung des Albert-Einstein-Instituts an:
Weiterlesen: Albert-Einstein-Institut , LSC