Wenn es um die vielen Geheimnisse des Universums geht, ist Schwarzen Löchern eine besondere Kategorie vorbehalten. Da sie mit bloßem Auge unsichtbar sind, bleiben sie sichtbar unentdeckt, und Wissenschaftler sind gezwungen, sich darauf zu verlassen, die Auswirkungen ihrer intensiven Gravitation auf nahe Sterne und Gaswolken zu „sehen“, um sie zu studieren.
Das könnte sich dank eines Teams der Cardiff University bald ändern. Hier ist den Forschern ein Durchbruch gelungen, der Wissenschaftlern helfen könnte, Hunderte von Schwarzen Löchern im gesamten Universum zu entdecken.
Unter der Leitung von Dr. Mark Hannam von der School of Physics and Astronomy haben die Forscher ein theoretisches Modell entwickelt, das darauf abzielt, alle potenziellen Gravitationswellensignale vorherzusagen, die von Wissenschaftlern gefunden werden könnten, die mit den Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) arbeiten .
Diese Detektoren, die wie Mikrofone wirken, sollen Überreste von Kollisionen Schwarzer Löcher aufspüren. Wenn sie eingeschaltet sind, hofft das Cardiff-Team, dass ihre Forschung als eine Art „Spotter-Leitfaden“ fungieren und Wissenschaftlern helfen wird, die schwachen Wellen von Kollisionen – sogenannten Gravitationswellen – zu erkennen, die vor Millionen von Jahren stattfanden.
Zusammengesetztes Röntgen-/Radio-Bild von zwei supermassiven Schwarzen Löchern, die sich in der Nähe des Zentrums des Galaxienhaufens Abell 400 spiralförmig aufeinander zudrehen. Quelle: Röntgen: NASA/CXC/AIfA/D.Hudson & T.Reiprich et al.; Radio: NRAO/VLA/NRL
Das Cardiff-Team besteht aus Postdoktoranden, Doktoranden und Mitarbeitern von Universitäten in Europa und den Vereinigten Staaten und wird mit Wissenschaftlern auf der ganzen Welt zusammenarbeiten, um die Ursprünge des Universums zu entschlüsseln.
„Das schnelle Drehen von Schwarzen Löchern wird die Umlaufbahnen zum Wackeln bringen, genau wie das letzte Wackeln eines Kreisels, bevor er umfällt“, sagte Hannam. „Diese Wobbles können dazu führen, dass die Schwarzen Löcher wilde Pfade umeinander ziehen, was zu extrem komplizierten Gravitationswellensignalen führt. Unser Modell soll dieses Verhalten vorhersagen und Wissenschaftlern helfen, die Signale in den Detektordaten zu finden.“
Das neue Modell ist bereits in die Computercodes einprogrammiert, mit denen LIGO-Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach Verschmelzungen schwarzer Löcher suchen, wenn die Detektoren eingeschaltet werden.
Dr. Hannam fügte hinzu: „Manchmal sehen die Umlaufbahnen dieser sich drehenden Schwarzen Löcher völlig verworren aus, wie ein Schnurknäuel. Aber wenn Sie sich vorstellen, mit den Schwarzen Löchern herumzuwirbeln, dann sieht alles viel klarer aus und wir können Gleichungen aufschreiben, um zu beschreiben, was passiert. Es ist, als würde man einem Kind bei einem sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Vergnügungspark zusehen, das anscheinend mit den Händen wedelt. Von der Seitenlinie ist es unmöglich zu sagen, was sie tun. Aber wenn du neben ihnen sitzt, sitzen sie vielleicht vollkommen still und geben dir nur die Daumen.“
Forscher haben Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auf dem Columbia-Supercomputer des NASA-Ames-Forschungszentrums bearbeitet, um eine dreidimensionale Simulation verschmelzender Schwarzer Löcher zu erstellen. Bildnachweis: Henze, NASA
Aber natürlich gibt es noch viel zu tun: „Bisher haben wir nur diese Präzessionseffekte berücksichtigt, während sich die Schwarzen Löcher spiralförmig aufeinander zudrehen“, sagt Dr. Hannam. 'Wir müssen noch genau herausfinden, was die Spins tun, wenn die Schwarzen Löcher kollidieren.'
Dazu müssen sie große Computersimulationen durchführen, um Einsteins Gleichungen für die Momente vor und nach der Kollision zu lösen. Sie müssen auch viele Simulationen erstellen, um genügend Kombinationen von Massen und Spinrichtungen Schwarzer Löcher zu erfassen, um das Gesamtverhalten dieser komplizierten Systeme zu verstehen.
Außerdem ist die Zeit für das Cardiff-Team etwas begrenzt. Sobald die Detektoren eingeschaltet sind, ist es nur eine Frage der Zeit, bis die ersten Gravitationswellen-Detektionen erfolgen. Die Berechnungen, die Dr. Hannam und seine Kollegen erstellen, müssen rechtzeitig fertig sein, wenn sie das Beste daraus machen wollen.
Aber Dr. Hannam ist optimistisch. „Jahrelang waren wir ratlos, wie wir die Bewegung des Schwarzen Lochs entwirren können“, sagte er. 'Jetzt, wo wir das gelöst haben, wissen wir, was als nächstes zu tun ist.'
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