Forschung

Wenn schwarze Löcher zu eng tanzen

23.11.2022 - Gravitationswellensignal GW190521 weist auf exzentrische Bahn und früheren Einfang hin.

Wenn schwarze Löcher im Universum aufeinanderprallen, dann beben Raum und Zeit: Die bei der Verschmelzung freiwerdende Energie­menge ist so groß, dass sie die Raumzeit in Schwingung versetzt. Diese Gravitations­wellen breiten sich durch das gesamte Universum aus und lassen sich auch in vielen Lichtjahren Entfernung noch messen – so wie am 21. Mai 2019, als die beiden Gravitations­wellen­observatorien LIGO (USA) und Virgo (Italien) ein solches Signal einfingen. Das nach dem Datum seiner Entdeckung GW190521 benannte Gravitations­wellen­ereignis hat seither in der Fachwelt für Gesprächs­stoff gesorgt, da es sich von den zuvor gemessenen Signalen deutlich unterscheidet.

 

Das Signal war zunächst so interpretiert worden, dass es sich bei der Kollision um zwei schwarze Löcher handelte, die sich auf nahezu kreisförmigen Bahnen umeinander bewegen. „Solche binären Systeme können durch eine Reihe astro­physikalischer Prozesse entstehen“, erklärt Sebastiano Bernuzzi, theoretischer Physiker von der Universität Jena. So seien die meisten von LIGO und Virgo entdeckten schwarzen Löcher stellaren Ursprungs. „Das heißt, sie sind die Überreste von massereichen Sternen in Doppelstern­systemen“, so Bernuzzi weiter, der die aktuelle Studie leitete. Solche schwarzen Löcher umrunden einander auf quasi kreisförmigen Bahnen, so wie es die ursprünglichen Sterne zuvor auch schon taten.

„GW190521 verhält sich aber deutlich anders“, macht Rossella Gamba deutlich. Die Erstautorin der Publikation promoviert im Jenaer Graduierten­kolleg 2522 und gehört zu Bernuzzis Team. „Seine Morphologie und seine explosions­artige Struktur unterscheiden sich extrem von früheren Beobachtungen.“ Also machten sich Rossella Gamba und ihre Kollegen auf die Suche nach einer alternativen Erklärung für das außergewöhnliche Gravitationswellensignal. Mit einer Kombination aus modernsten analytischen Methoden und numerischen Simulationen auf Super­computern berechneten sie unterschiedliche Modelle für die kosmische Kollision. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass diese statt auf einer quasi kreisförmigen auf einer stark exzentrischen Bahn erfolgt sein musste: Ein schwarzes Loch bewegt sich dabei zunächst ungebunden in einer relativ dicht mit Materie gefüllten Umgebung und kann, sobald es in die Nähe eines anderen schwarzen Loches gelangt, von dessen Gravitationsfeld eingefangen werden. Auch dies führt zur Entstehung eines binären Systems, allerdings bewegen sich die beiden Schwarzen Löcher hier nicht kreisförmig, sondern exzentrisch, in taumelnden Bewegungen umeinander.

„Ein solches Szenario erklärt die Beobachtungen deutlich besser als jede andere bisher vorgestellte Hypothese. Die Wahrscheinlichkeit liegt bei 1:4300“, sagt Matteo Breschi, Doktorand und Koautor der Studie, der die Infrastruktur für die Analyse entwickelt hat. Und Postdoktorand Gregorio Carullo ergänzt: „Auch wenn wir derzeit noch nicht genau wissen, wie oft solche dynamischen Begegnungen von schwarzen Löchern überhaupt vorkommen, rechnen wir nicht damit, dass sie häufig passieren.“ Das mache die aktuellen Ergebnisse umso spannender. Dennoch bedarf es noch weiterer Forschungs­arbeit, um die Entstehungs­prozesse von GW190521 zweifelsfrei aufzuklären.

Für das aktuelle Projekt haben die Teams in Jena und Turin (im Rahmen des von der DFG geförderten Jenaer Graduierten­kollegs 2522 „Dynamics and Criticality in Quantum and Gravitational Systems”) einen allgemein-relativistischen Rahmen für die exzentrische Verschmelzung von schwarzen Löchern entwickelt und die analytischen Vorhersagen mit Simulationen der Einsteinschen Gleichungen überprüft. Erstmals kamen bei der Analyse von Gravitations­wellen-Beobachtungs­daten Modelle von dynamischen Begegnungen zum Einsatz.

FSU / DE

 

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