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Eine Illustration von binären schwarzen Löchern mit eiförmigen Umlaufbahnen (Bildnachweis: Nihar Gupte)

Die Woche der Schwarzen Löcher geht heute (10. Mai) zu Ende, und es gibt keine bessere Art und Weise, diesen Anlass zu begehen, als mit etwas „eiförmiger“ Wissenschaft über Schwarze Löcher.

Mit Hilfe von Gravitationswellenmessungen des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA und den Virgo- und KAGRA-Detektoren in Italien bzw. Japan haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Bahnen einiger binärer schwarzer Löcher eiförmig sein könnten und ein merkwürdiges Wackeln aufweisen.

Diese Forschungsarbeit ist mehr als eine bloße Kuriosität (und ein „Eier-Vorwand“, um ein paar böse Eier-Wörterspiele zu machen). Die Entdeckung dieser ovalen Umlaufbahnen in binären schwarzen Lochsystemen könnte den Forschern helfen, herauszufinden, wie jedes dieser Systeme entstanden ist.

„Wir stellen fest, dass sich die meisten binären Schwarzen Löcher auf so genannten ‚quasi-kreisförmigen‘ Bahnen befinden. Das ‚quasi‘ bedeutet, dass der Abstand zwischen den schwarzen Löchern durch die Emission von Gravitationswellen mit der Zeit abnimmt“, sagte der Hauptautor der Studie, Nihar Gupte vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Deutschland und der University of Maryland, gegenüber kosmischeweiten.de.

„Unsere Studie zeigt, dass sich einige der beobachteten binären Schwarzen Löcher auf ‚exzentrischen‘ Bahnen befinden könnten“, fügte Gupte hinzu. „Das bedeutet, dass die schwarzen Löcher in einer ovalen oder ‚Ei‘-Form kreisen.“

Das Team entdeckte auch, dass die Spitze dieser eiförmigen, ovalen Umlaufbahn rotieren könnte, wenn die schwarzen Löcher einander umkreisen, so der Forscher.

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„Wir haben auch festgestellt, dass man die Massen der schwarzen Löcher überschätzt, wenn man diese Ereignisse mit einem nicht exzentrischen Modell analysiert“, fügte Gupte hinzu.

Was können wir von eiförmigen Umlaufbahnen Schwarzer Löcher lernen

Gupte und seine Kollegen untersuchten 57 binäre Schwarze-Loch-Paare, die von der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration über Gravitationswellen entdeckt wurden. Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die erstmals von Albert Einstein in seiner berühmten Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 vorhergesagt wurden.

Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Objekte mit Masse eine Krümmung in der Struktur von Raum und Zeit erzeugen, die als vierdimensionale Einheit namens „Raumzeit“ vereint sind. Die Schwerkraft ergibt sich aus dieser Krümmung, die mit zunehmender Masse der Objekte immer extremer wird. Aus diesem Grund haben Sterne einen stärkeren Gravitationseinfluss als Planeten und Galaxien einen stärkeren Gravitationseinfluss als Sterne.

Einstein sagte in dieser revolutionären Theorie der Schwerkraft auch voraus, dass Objekte, die beschleunigt werden, winzige Wellen aussenden, die durch die Raumzeit strahlen – Gravitationswellen. Diese Wellen sind jedoch unbedeutend, solange sie nicht den Bereich der ultradichten Objekte wie Neutronensterne und schwarze Löcher erreichen.

Wenn binäre Neutronensterne oder Schwarze Löcher umeinander kreisen, senden sie ständig Gravitationswellen aus, die Energie in Form von Drehimpulsen aus dem System abführen. Der Verlust des Drehimpulses führt dazu, dass sich die Bahnen dieser Körper enger zusammenziehen, bis ihre Schwerkraft die Oberhand gewinnt. Schließlich kollidieren sie und verschmelzen, wobei sie ein letztes Mal ein hohes Kreischen von Gravitationswellen aussenden.

Einstein war der Meinung, dass selbst diese Gravitationswellen zu schwach sein würden, um auf der Erde entdeckt zu werden. Glücklicherweise bewies LIGO im September 2015, dass der große Wissenschaftler falsch lag, und entdeckte GW150914, ein Gravitationswellensignal, das von einer Verschmelzung zweier schwarzer Löcher in über 1 Milliarde Lichtjahren Entfernung stammt.

Eine Illustration von binären schwarzen Löchern, die die Raumzeit wie eine Glocke mit Gravitationswellen zum Klingen bringen. (Bildnachweis: ESA-C.Carreau)

Während die Entdeckungen von Gravitationswellen immer mehr zunehmen, lernen Wissenschaftler wie Gupta, wie sie diese nutzen können, um Details über die Objekte, die sie erzeugen, zu enthüllen, wie diese neue Forschung zeigt.

Gupta erklärte, dass die Nutzung von Gravitationswellen zum Verständnis der Umlaufbahnen von binären schwarzen Löchern mit der Arbeit von Paläontologen vergleichbar ist, die Knochen untersuchen, um zu rekonstruieren, wie Dinosaurier gelebt haben könnten. So können Physiker die Eigenschaften verschmelzender binärer Schwarzer Löcher untersuchen, um zu verstehen, wie binäre Schwarze Löcher überhaupt zusammenkommen.

Dies kann auf zwei verschiedene Arten geschehen. Dynamische Wechselwirkungen treten auf, wenn ein binäres Schwarzes Loch auf ein anderes Schwarzes Loch oder sogar ein anderes binäres Schwarzes-Loch-System trifft und mit diesem in Wechselwirkung tritt.

Andererseits können Doppelsternsysteme auch isoliert sein und sich ganz einfach aus zwei Sternen bilden, die bereits umeinander kreisen und zu schwarzen Löchern werden, oder aus einem schwarzen Loch, das zu nahe an ein anderes herankommt und ein Doppelsternsystem bildet, bevor sie kollidieren und verschmelzen.

Ein Diagramm, das die zwei möglichen Entstehungsmechanismen von Schwarzen Löchern zeigt, zwischen denen man durch die Untersuchung der Exzentrizität dieser Anordnungen wählen kann (Bildnachweis: Nihar Gupte)

„Der Schlüsselgedanke ist, dass, wenn wir ein Doppelsternsystem mit Exzentrizität beobachten, es wahrscheinlich aus einer dynamischen Wechselwirkung stammt“, sagte Gupta. „Diese chaotischen Wechselwirkungen können den Doppelstern auseinander brechen und die ihn bildenden Schwarzen Löcher aus ihren Wirtsgalaxien und Galaxienhaufen herausschießen. Manchmal können sie aber auch den Abstand zwischen den beiden Schwarzen Löchern verkleinern, eine Exzentrizität hervorrufen und dazu führen, dass sie auf kurzen Zeitskalen verschmelzen.“

Der Wissenschaftler und sein Team nutzen nicht nur die Exzentrizität der Umlaufbahnen, um die Geschichte von Doppelsternsystemen mit schwarzen Löchern zu erzählen, sondern untersuchen auch, wie sich die ovale Natur der Umlaufbahnen auf die Gravitationswellenemissionen dieser Systeme auswirkt.

„Wenn man eine Exzentrizität hat, bedeutet das, dass die schwarzen Löcher an einigen Punkten der Umlaufbahn näher beieinander sind“, erklärt Gupta. „Wenn die schwarzen Löcher näher beieinander sind, haben sie eine größere Beschleunigung, was bedeutet, dass sie mehr Gravitationswellen aussenden. Sind sie hingegen weit voneinander entfernt, haben sie eine geringere Beschleunigung, was bedeutet, dass sie weniger Gravitationswellen aussenden.

„Am Ende sieht man also kleine Sprünge in der Amplitude der Wellenform [das Gesamtmuster der Gravitationswellen] , die dadurch entstehen, dass sich die schwarzen Löcher näher und weiter voneinander entfernen!“

Ein Diagramm, das zeigt, wie ein gewöhnliches Hüllereignis abläuft. M1 ist der Stern, der zu einem roten Zwerg wird und sich aufbläht, um das schwarze Loch (M2) mit Gas (rot) zu umgeben. (Bildnachweis: Durand D’souza)

Die Natur und Geschichte von binären schwarzen Löchern wäre ohne den Einsatz von Gravitationswellen unglaublich schwierig zu bestimmen. Eine alternative Methode, um den Ursprung von binären Schwarzen Löchern zu verstehen, ist die Suche nach so genannten „Common Envelope“-Ereignissen mit Hilfe der herkömmlichen lichtbasierten Astronomie.

Diese Ereignisse beginnen damit, dass ein Stern und ein Schwarzes Loch einander umkreisen, wobei der Stern zu einem Roten Riesen heranwächst. Die äußeren Schichten des aufgeblähten Sterns bilden eine gemeinsame Hülle um die beiden Insassen des Doppelsterns und erzeugen Reibung zwischen dem Schwarzen Loch und dem Stern. Dadurch schrumpft die Umlaufbahn des Doppelsterns, und schließlich, nachdem der Rote Riese zu einem Schwarzen Loch geworden ist, führt dies zu einer Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher.

„Das Problem ist, dass die Beobachtung dieser kritischen Periode mit elektromagnetischen Beobachtungen schwierig ist. Das liegt daran, dass massereiche Sterne selten und kurzlebig sind, so dass die kritischen Entwicklungsphasen der Verschmelzung kompakter Objekte nur einen kleinen Teil dieser Systeme ausmachen“, so Gupta. „Durch die Untersuchung von Gravitationswellen hingegen können wir die letzten Momente der Verschmelzung von Doppelsternen verstehen. Dadurch können wir die Geschichte der Verschmelzung zurückverfolgen und Hypothesen darüber aufstellen, wie sie zustande gekommen sein könnte.“

Er fügte hinzu, dass Gravitationswellen in dieser Hinsicht besonders nützlich sind, weil sie eine „extrem saubere Sonde“ für weit entfernte Ereignisse sind. Dies bezieht sich auf die Tatsache, dass diese Wellen durch die Raumzeit riesige Entfernungen zurücklegen können, ohne von allem, was sich zwischen dem Binärsystem und der Erde befindet, gestört zu werden.

„Wir behaupten zwar nicht, dass es sich hierbei um endgültige Nachweise exzentrischer binärer schwarzer Löcher handelt, aber diese Ergebnisse deuten auf Exzentrizität [in der] existierenden Population hin“, sagte Gupte. „Dies ist eine wichtige Überlegung für den derzeitigen Beobachtungslauf des erdgebundenen Gravitationswellendetektors sowie für zukünftige boden- und weltraumgestützte Gravitationswellendetektoren.

„Derzeit verfügen wir nicht über genügend Daten, um den Ursprung von binären schwarzen Löchern eindeutig zu bestimmen. Wenn wir jedoch in Zukunft mehr exzentrische binäre Schwarze Löcher beobachten, können wir damit beginnen, die Entstehungsmechanismen dieser Systeme einzugrenzen „Die Arbeit des Teams wurde noch nicht in einer Fachzeitschrift veröffentlicht. Sie können einen Vorabdruck davon auf dem Online-Repository arXiv lesen.