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Eine Illustration eines binären supermassiven schwarzen Lochs (Bildnachweis: NASA)

Binäre Paare kleiner schwarzer Löcher könnten von Astronomen in einem kosmischen Versteckspiel genutzt werden, um nach viel größeren, aber schwer fassbaren supermassiven schwarzen Löchern zu suchen. Die Technik könnte daher dazu beitragen, das Rätsel zu lösen, wie supermassive schwarze Löcher im frühen Universum so schnell gewachsen sind.

Die Entdeckung schwarzer Löcher ist keine leichte Aufgabe, trotz ihres Rufs als furchterregende kosmische Titanen. Alle schwarzen Löcher sind von einer lichtundurchlässigen Grenze, dem sogenannten „Ereignishorizont“, umgeben, der dafür sorgt, dass sie kein Licht aussenden. Selbst die supermassereichen Schwarzen Löcher im Herzen von Galaxien mit der millionen- oder milliardenfachen Masse der Sonne sind nur dann „sichtbar“, wenn sie sich an einer riesigen Menge an umgebender Materie laben oder wenn sie einen unglücklichen Stern zerreißen.

Das Licht oder die „elektromagnetische Strahlung“, wie es genauer heißt, ist jedoch nur eine Art von Strahlung. Eine andere ist die „Gravitationsstrahlung“, die in Form von winzigen Wellen auftritt, die die Raumzeit zum Brummen bringen, die so genannten „Gravitationswellen“, die die Menschheit gerade erst zu entdecken beginnt. Das bedeutet, dass die Astronomen bei diesem Versteckspiel nicht nach supermassiven schwarzen Lochpaaren suchen, sondern stattdessen nach ihnen lauschen können.

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

„Unsere Idee funktioniert im Grunde wie das Abhören eines Radiokanals. Wir schlagen vor, das Signal von Paaren kleiner schwarzer Löcher zu nutzen, ähnlich wie Radiowellen das Signal übertragen“, sagte Teamleiter Jakob Stegmann, ein Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik, in einer Erklärung. „Die supermassiven schwarzen Löcher sind die Musik, die in der Frequenzmodulation (FM) des entdeckten Signals kodiert ist.“

Kleines schwarzes Loch singt Sopran

Gravitationswellen sind ein Konzept, das erstmals von Albert Einstein in der allgemeinen Relativitätstheorie, seinem 1915 erschienenen Hauptwerk der Gravitation, vorgeschlagen wurde.

Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Schwerkraft entsteht, wenn ein Objekt mit Masse die Struktur von Raum und Zeit „verformt“, die Einstein zuvor als eine einzige vierdimensionale Einheit (drei Raumdimensionen, eine Zeitdimension) namens „Raumzeit“ zusammengefasst hatte.

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Je größer die Masse, desto größer ist die extreme Raumkrümmung, die ein Objekt erzeugt. Das erklärt, warum Planeten einen größeren Gravitationseinfluss haben als Monde, warum Sterne einen größeren Einfluss haben als Planeten und warum Schwarze Löcher den größten Einfluss von allen Objekten haben.

Eine Illustration zeigt ein schwarzes Loch, das eine „eintauchende“ Verformung der Raumzeit verursacht. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Einstein hat auch vorhergesagt, dass Objekte, die in der Raumzeit beschleunigen, deren Struktur mit Wellen oder Gravitationswellen „zum Klingen“ bringen. Diese sind bei Objekten mit geringer Masse völlig unbedeutend, aber wenn Schwarze Löcher umeinander kreisen (man bedenke, dass eine Kreisbewegung eine Beschleunigung ist), haben sie genug Masse, um bedeutende Gravitationswellen zu erzeugen.

Wenn sich diese schwarzen Löcher spiralförmig umeinander drehen, senden sie kontinuierlich niederfrequente Gravitationswellen aus. Diese Gravitationswellen nehmen Drehimpuls (oder Spin) mit und zwingen die schwarzen Löcher zusammen, ein Prozess, der „inspiralling“ genannt wird. Dadurch erhöht sich die Frequenz der Gravitationswellen, so dass der Drehimpuls immer schneller abtransportiert wird.

Das heißt, bis die schwarzen Löcher schließlich kollidieren und verschmelzen, ein Ereignis, das einen hochfrequenten „Schrei“ von Gravitationswellen aussendet.

Ein Diagramm, das die Frequenzen der Gravitationswellen zeigt, die von binären schwarzen Löchern während des Verschmelzungsprozesses ausgesendet werden (Bildnachweis: LIGO)Einstein sagte jedoch voraus, dass diese Raumzeitwellen zu schwach sein würden, um jemals entdeckt zu werden, zumal sie bei ihrer Ausbreitung durch den Kosmos an Energie verlieren würden und die Verschmelzung von Schwarzen Löchern Millionen oder sogar Milliarden von Lichtjahren entfernt stattfindet.

Glücklicherweise wissen wir heute, dass Einstein falsch lag.

Seit der Entdeckung des ersten Gravitationswellensignals durch das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) im Jahr 2015, das von einer 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernten binären Schwarzlochfusion stammte, wurden viele solcher Schwarzlochkollisionen entdeckt.

Aber diese Entdeckungen haben eines gemeinsam. Wenn es sich um schwarze Löcher handelte, waren es immer Paare im Bereich der stellaren schwarzen Löcher, mit Massen zwischen dem Drei- und einigen Hundertfachen der Sonnenmasse. Die Verschmelzung supermassereicher schwarzer Löcher war für terrestrische Gravitationswellendetektoren wie LIGO und seine Landsleute VIRGO in Italien und den Kamioka Gravitationswellendetektor (KAGRA) in Japan schwer zu erfassen.

Ein Diagramm zur Veranschaulichung des Gravitationswellenspektrums. (Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center)

Genauso wie sich unsere Ohren so entwickelt haben, dass sie bestimmte Tonfrequenzen hören und andere nicht, können diese Instrumente nur einen bestimmten Frequenzbereich von Gravitationswellen erkennen. Die Gravitationswellen, die von wirbelnden Paaren supermassiver schwarzer Löcher ausgesendet werden, sind zu niederfrequent, als dass terrestrische Gravitationswellendetektoren sie „hören“ könnten.

Mit anderen Worten: Die Gravitationswellen von stellaren Doppelmassen singen im Sopran, während supermassereiche Paare im Bariton singen.

Dieses Team schlägt vor, die subtilen Veränderungen der Gravitationswellen von stellarmassenschwarzen Doppelsternsystemen nachzuweisen, die durch interferierende Gravitationswellen von supermassereichen Doppelsternsystemen verursacht werden.

Diese kleinen Modulationen könnten daher dazu beitragen, Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher aufzudecken, die derzeit nur als kollektives „Hintergrundbrummen“ mit Hilfe riesiger Ansammlungen sich schnell drehender Neutronensterne, die als „Pulsar-Timing-Array“ bezeichnet werden, nachgewiesen werden können.

„Der neuartige Aspekt dieser Idee besteht darin, hohe Frequenzen, die leicht zu erkennen sind, zu nutzen, um niedrigere Frequenzen zu untersuchen, für die wir noch nicht empfindlich sind“, sagte Stegmann.

Der Vorschlag könnte auch dazu beitragen, das Design zukünftiger Gravitationswellendetektoren zu lenken, wie z. B. des kommenden weltraumgestützten Detektors LISA (Laser Interferometer Space Antenna) der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

„Da der Weg für LISA nach der Verabschiedung durch die ESA im vergangenen Januar nun feststeht, muss die Gemeinschaft die beste Strategie für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren evaluieren“, sagte Lucio Mayer, Mitglied des Teams und Theoretiker für Schwarze Löcher an der Universität Zürich. „Insbesondere die Frage, auf welchen Frequenzbereich sie abzielen sollten – Studien wie diese sind eine starke Motivation, ein Dezi-Hz- [Niederfrequenz-] Detektordesign zu priorisieren.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (5. August) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.