Eine Illustration verschmelzender schwarzer Löcher am Rande eines supermassiven schwarzen Lochs (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Aus den allgemeinen Merkmalen eines Menschen kann man viel über seine Abstammung erfahren. Ein Kind kann die Augen seines Vaters haben, das Lächeln seiner Mutter oder vielleicht sogar die männliche Glatze seines Großvaters (danke, Opa). Schwarze Löcher haben jedoch nur wenige definierende Merkmale – wie der theoretische Physiker John Wheeler es ausdrückte: „Schwarze Löcher haben keine Haare“ (ähnlich wie Ihr bescheidener Autor). Natürlich ist es viel zu subjektiv, die Abstammung eines Kindes anhand von körperlichen Merkmalen zu prüfen – hier kommen normalerweise DNA-Tests ins Spiel. Solche Tests bieten eine weitaus wissenschaftlichere Möglichkeit, die Abstammung einer Person zu überprüfen, und neue Forschungsergebnisse legen einen analogen Abstammungstest für schwarze Löcher nahe.
Anstatt sich jedoch auf einen Wangenabstrich oder ein wenig Blut zu verlassen, nutzen diese kosmischen DNA-Tests winzige Wellen in der Struktur der Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden und von Albert Einstein vor 110 Jahren erstmals vorgeschlagen wurden.
Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Forschern der Universität Cardiff hat entdeckt, dass die Abstammung supermassereicher Schwarzer Löcher, die aus einer Fusionskette immer größerer Vorläufer-Schwarzer Löcher entstehen, in ihren Rotationen oder „Spins“ verborgen sein könnte. Selbst menschliche DNA-Tests können nicht verraten, in welchem Krankenhaus ein Baby entbunden wurde!
Gravitationswellen, wie sie von Einrichtungen wie dem Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) und dem Virgo-Observatorium entdeckt werden, könnten genutzt werden, um diese Informationen wie die Schrift auf einer Geburtsurkunde zu „lesen“. „Unsere Studie gibt uns eine starke,>
Stammbäume Schwarzer Löcher
Die Abstammung von Schwarzen Löchern wurde zu einer interessanten Frage für Wissenschaftler, als sie entdeckten, dass einige Schwarze Löcher einfach zu massiv sind, um auf dem üblichen Weg entstanden zu sein: durch einen sterbenden Stern.
Schwarze Löcher mit einer Masse zwischen dem 10- und 100-fachen der Sonnenmasse entstehen, wenn Sternen, die viel massereicher sind als die Sonne, der Brennstoff für die Kernfusion in ihrem Kern ausgeht. Anschließend kollabieren diese Sterne unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft. Supermassive Schwarze Löcher haben jedoch eine Masse, die Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entspricht. Kein einzelner Stern kann kollabieren, um ein solch massives schwarzes Loch zu bilden, was zu der Theorie führt, dass sie aus der Verschmelzung kleinerer schwarzer Löcher entstehen. Der erste Nachweis von Gravitationswellen, die von verschmelzenden Schwarzen Löchern ausgehen, wurde 2015 von LIGO und Virgo erbracht, 100 Jahre nachdem Einstein sie in seiner als allgemeine Relativitätstheorie bekannten Gravitationstheorie vorhergesagt hatte. Diese Entdeckung und die vielen Verschmelzungen, die seither von diesen Einrichtungen „gehört“ wurden, haben dazu beigetragen, die Theorie des „Wachstums durch Verschmelzung“ zu bestätigen.
Ein künstlerisches Konzept von zwei schwarzen Löchern, die einander umkreisen, bevor sie verschmelzen. (Bildnachweis: NASA)
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Objekte mit Masse das Gefüge von Raum und Zeit, oder die Raumzeit, „verzerren“. Die Schwerkraft ergibt sich aus dieser Verformung.
Einstein sagte auch voraus, dass die Beschleunigung von Objekten in der Raumzeit Wellen verursacht, die mit Lichtgeschwindigkeit nach außen strahlen. Diese so genannten Gravitationswellen sind jedoch nur dann nachweisbar, wenn die beteiligten Objekte wirklich massiv sind – und schwarze Löcher erfüllen diese Voraussetzung. Die Verschmelzung von Schwarzen Löchern ist untrennbar mit der Emission von Gravitationswellen verbunden.
Sobald Schwarze Löcher nahe genug beieinander sind, um eine Doppelstation zu bilden, während sie umeinander kreisen, bringt diese konstante Beschleunigung (Beschleunigung ist eine Änderung der Geschwindigkeit und der Richtung, so dass eine Kreisbewegung eine ständige Beschleunigung darstellt) das Gefüge der Raumzeit mit Gravitationswellen zum Klingen: Da diese Doppelstation Gravitationswellen aussendet, tragen diese Wellen in der Raumzeit einen Drehimpuls mit sich. Dies führt dazu, dass sich das Doppelsternsystem zusammenzieht. Mit anderen Worten: Die Schwarzen Löcher rücken näher zusammen.
Dies führt dazu, dass die binären schwarzen Löcher immer schneller oder mit zunehmender Frequenz Gravitationswellen aussenden, d. h. sie kommen sich immer näher. Bei dieser Verschmelzung entsteht ein Tochter-Schwarzes-Loch, das massereicher ist als seine Eltern, aber nicht ganz die Gesamtmasse der beiden Löcher erreicht, da sie durch einen hochfrequenten „Schrei“ von Gravitationswellen Masse verlieren.
Eine Illustration von binären schwarzen Löchern, die die Raumzeit wie eine Glocke mit Gravitationswellen zum Klingen bringen. (Bildnachweis: ESA-C.Carreau)
„Je mehr Verschmelzungen von Schwarzen Löchern wir mit Gravitationswellendetektoren wie LIGO und Virgo beobachten, desto deutlicher wird, dass Schwarze Löcher unterschiedliche Massen und Spins aufweisen, was darauf hindeutet, dass sie sich auf unterschiedliche Weise gebildet haben könnten“, so der Teamleiter Fabio Antonini von der School of Physics and Astronomy der Universität Cardiff in der Erklärung. „Es war jedoch eine Herausforderung, herauszufinden, welches dieser Entstehungsszenarien am häufigsten vorkommt.
Um dieses Geheimnis zu lüften, untersuchte das Team die Daten von 69 Gravitationswellenereignissen, die von LIGO und Virgo entdeckt wurden.
Was sie herausfanden, war, dass sich der Spin eines Schwarzen Lochs ändert, wenn es eine bestimmte Masse erreicht. Es gibt also eine eindeutige Massenschwelle, bei der sich der Spin von schwarzen Löchern ständig ändert. Das vom Team aufgedeckte Muster entspricht Modellen, nach denen Schwarze Löcher durch wiederholte Kollisionen in dicht gepackten Sternhaufen entstehen.
Anhand der Ergebnisse können die Wissenschaftler nun die Computermodellierungstechniken verfeinern, mit denen die Entstehung und das Wachstum von Schwarzen Löchern simuliert werden.
Wenn in Zukunft Gravitationswellensignale von Einrichtungen wie LIGO, Virgo, dem geplanten unterirdischen Gravitationswellenobservatorium, dem so genannten Einstein-Teleskop, und dem künftigen weltraumgestützten Gravitationswellendetektor LISA (Laser Interferometer Space Antenna) entdeckt werden, können solche verfeinerten Modelle zur besseren Interpretation dieser Signale verwendet werden.
„Die Zusammenarbeit mit anderen Forschern und der Einsatz fortschrittlicher statistischer Methoden werden dazu beitragen, unsere Ergebnisse zu bestätigen und zu erweitern, insbesondere wenn wir uns auf die nächste Generation von Detektoren zubewegen“, sagte Thomas Callister, Mitglied des Teams und Forscher an der University of Chicago, in der Erklärung. „Das Einstein-Teleskop zum Beispiel könnte noch massereichere Schwarze Löcher aufspüren und noch nie dagewesene Einblicke in ihre Entstehung liefern.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Dienstag (7. Januar) in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
