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Eine Illustration zeigt die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und seines Spiegelbilds (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Durch die Beobachtung winziger Wellen in der Raumzeit, so genannter „Gravitationswellen“, die sich von kollidierenden schwarzen Löchern weg ausbreiten, könnten Wissenschaftler versteckte Asymmetrien im Universum aufdecken.

Das Team, das hinter den neuen Forschungen zu diesem Thema steht, schlägt vor, dass die Messung der Rechts- oder Linkshändigkeit von Gravitationswellen aus der Verschmelzung von schwarzen Löchern Aufschluss darüber geben kann, ob das kosmologische Prinzip – eine absolute Säule der Astronomie – gilt.

Das kosmologische Prinzip besagt, dass das Universum, wenn man es in großen Maßstäben betrachtet, in allen Richtungen aus dem gleichen Material bestehen sollte. Mit anderen Worten, der Kosmos sollte „isotrop und homogen“ erscheinen. Das bedeutet, dass das Universum keine Vorliebe für Dinge zeigen sollte, die sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen. Das Universum sollte spiegelsymmetrisch sein, und das gilt auch für die Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung schwarzer Löcher entstehen.

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern die Wellen in der Raumzeit gemessen, die bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern nach außen dringen, und die möglicherweise mit der Richtung korrelieren, in die die Tochter-Schwarzen Löcher von den „Kicks“ zurückprallen, die bei diesen Ereignissen abgegeben werden.

„Einsteins Gleichungen für die Gravitation, die das großräumige Verhalten des Universums regeln, erlauben eine links- [und rechts-] händige Gravitationsquelle für jede der entgegengesetzten Händigkeit“, sagte Adrian del Rio, Teammitglied und Forscher an der Universität Carlos III von Madrid, in einer Erklärung. „Diese Gleichungen setzen jedoch nicht voraus, dass beide Arten von Quellen in unserem Universum in gleichem Maße vorhanden sind. Mit unserer Arbeit können wir testen, ob die Schwerkraft oder unser Universum ‚versteckte‘ Mechanismen zur Erzeugung von Asymmetrien besitzt.“

Torschüsse und wachsende schwarze Löcher

Wenn sich das alles furchtbar kompliziert anhört, haben der Leiter des Teams, Juan Calderón Bustillo von der Universität Santiago de Compostela, und seine Kollegen eine leicht verständliche Analogie: „Beim Fußball gibt es zwei Möglichkeiten, den Ball entweder mit dem inneren oder dem äußeren Teil des Fußes zu schießen“, so Bustillo in der Erklärung. „Bei der ersten Variante dreht sich der Ball gegen den Uhrzeigersinn, man denke nur an David Beckhams berühmte Freistöße, während die andere Variante die entgegengesetzte Drehung hervorruft. Denken Sie an Modric oder den jungen Superstar Lamine Yamal, die diese Bewegung beherrschen“.

Bustillo fügte hinzu, dass die meisten Schüsse, Flanken und Pässe jedoch mit der Innenseite des Fußes ausgeführt werden, da sich der Ball so wesentlich leichter kontrollieren lässt. Mit anderen Worten, Fußball ist nicht spiegelsymmetrisch, sondern es gibt eine bevorzugte Richtung gegen den Uhrzeigersinn im Spiel: „Dies führt zu einer Asymmetrie zwischen den beiden Arten von Drehungen und macht Fußball ‚spiegelasymmetrisch‘“, so Bustillo. „Wenn unsere Standardannahmen über das Universum und die Schwerkraft zutreffen, sollte dies bei den Wellen, die von der Verschmelzung schwarzer Löcher im Universum ausgehen, nicht der Fall sein.“

(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Außerdem hat das bei der Verschmelzung entstehende Tochter-Schwarzes-Loch einen Spin, der wie bei einem getretenen Fußball in Bezug auf seine Bewegungsrichtung entweder rechts- oder linkshändig sein kann. Separate Forschungen zeigen, dass die Richtung, in die sich die Gravitationswellen ausrichten, wie bei einem getretenen Fußball mit der Richtung des „Kicks“ zusammenhängt, den das durch die Fusion entstandene Tochterschwarze Loch erhält.

Wenn Schwarze Löcher dem Beispiel des legendären Manchester-United-Stürmers David Beckham folgen und sich „wie Beckham biegen“, wenn man so will, wird das unsere Theorien über das Universum erheblich beeinflussen.

Gravitationswellen helfen mit

Der Ursprung der Gravitationswellen geht auf das Jahr 1915 und Albert Einsteins Hauptwerk, die Theorie der Schwerkraft, zurück. Diese als allgemeine Relativitätstheorie bekannte Theorie stellte die Physik auf den Kopf, indem sie besagte, dass die Schwerkraft durch die Krümmung der Raumzeit entsteht, die durch Objekte mit Masse erzeugt wird.

Einstein ging jedoch noch weiter. Er schlug auch vor, dass beschleunigende Objekte das Gewebe der Raumzeit mit „Gravitationsstrahlung“ oder Gravitationswellen „zum Klingen“ bringen. Zwar sind alltägliche Ereignisse wie beschleunigende Fahrräder zu unbedeutend, um Gravitationswellen zu erzeugen, doch gewaltige kosmische Ereignisse wie Supernovas und verschmelzende schwarze Löcher tun es. Sogar der Urknall, durch den das Universum entstanden ist, hat Gravitationswellen erzeugt.

Einstein glaubte, dass diese Strahlung zu schwach sei, um jemals auf der Erde entdeckt zu werden. 2015 haben das Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) und die Virgo-Gravitationswellen-Observatorien den großen Physiker jedoch eines Besseren belehrt, indem sie tatsächlich Wellen in der Raumzeit entdeckt haben, die von gewaltigen Ereignissen wie den Kollisionen und Verschmelzungen supermassereicher schwarzer Löcher und Neutronensterne herrühren.

Eine künstlerische Illustration zweier schwarzer Löcher, die sich spiralförmig zusammenschließen und Gravitationswellen in der Raumzeit erzeugen. (Bildnachweis: NASA)

Wenn man bedenkt, dass Gravitationswellen als Gravitationsstrahlung bezeichnet werden können, fragt man sich vielleicht, ob sie Ähnlichkeit mit Licht oder, genauer gesagt, mit elektromagnetischer Strahlung haben. Wellen sind das Herzstück beider Arten von Strahlung, und sie haben Eigenschaften wie die Wellenlänge, den Abstand zwischen zwei Spitzen einer Welle, und die Frequenz, die Anzahl der Spitzen, die einen bestimmten Punkt innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit passieren. So wie es ein ganzes elektromagnetisches Spektrum gibt, das sich aus elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen und Frequenzen zusammensetzt, gibt es auch ein Gravitationswellenspektrum.

Wie elektromagnetische Wellen können auch Gravitationswellen eine Polarisation aufweisen. Die Polarisation bezieht sich auf die Richtung, in der die Welle bei ihrer Ausbreitung ausgerichtet ist. Die Gravitationswellenpolarisation kann entweder rechts- oder linkshändig sein, d. h. die Welle kann sich im oder gegen den Uhrzeigersinn im Verhältnis zu ihrer Ausbreitungsrichtung drehen.

Ein Diagramm, das zwei Arten der Polarisation zeigt, die eine Drehung um die Ausbreitungsrichtung demonstrieren (horizontaler schwarzer Pfeil). (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wenn Schwarze Löcher kollidieren und verschmelzen, können sie einen Überschuss an Gravitationswellen mit einer Polarisation erzeugen und damit die Spiegelsymmetrie individuell brechen. Betrachtet man diese Überschüsse jedoch in ihrer Gesamtheit, dann sollten sich diese Überschüsse gegenseitig aufheben, wenn das kosmologische Prinzip korrekt ist und die Spiegelsymmetrie im gesamten Kosmos allgegenwärtig ist. Wenn jedoch, wie beim Fußball, die Verschmelzung von Schwarzen Löchern eine Spiegelasymmetrie aufweist, könnte dies darauf hindeuten, dass das kosmologische Prinzip nicht gilt, und wenn dies der Fall ist, wer weiß, welche anderen Theorien, die auf diesem Prinzip beruhen, falsch sind?

Spiegel Spiegel Spiegel

Um zu prüfen, ob Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern tatsächlich eine spiegelsymmetriebrechende Händigkeit aufweisen, haben Bustillo und Kollegen die Polarisation von Gravitationswellen aus 47 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern gemessen. Aber das kosmologische Prinzip ist vielleicht noch nicht sicher. Sicher, es steht 1:0 zur Halbzeit, aber der Schiedsrichter hat noch nicht zur Halbzeit abgepfiffen: „Die Statistiken sind sehr begrenzt, so dass die Unsicherheiten noch groß sind“, sagte Teammitglied Nicolas Sanchis-Gual von der Universität Valencia in der Erklärung. „Dieses kosmische Fußballspiel ist noch lange nicht vorbei.“

Eine Illustration zeigt den Spin von Schwarzen Löchern in einem Fusionssystem und ihre spiegelsymmetrische Reflexion. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Das Team fand eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern, bei der die Spiegelsymmetrie individuell gebrochen wurde. Dieses Ereignis wurde mit dem Gravitationswellensignal GW200129 in Verbindung gebracht. Dies war keine große Überraschung, da diese Verschmelzung schon lange als seltsam, einseitig und ungleichmäßig angesehen wurde. Das Team geht davon aus, dass 82 % der von ihnen beobachteten Verschmelzungen von Schwarzen Löchern entweder linkshändige oder rechtshändige Gravitationswellen aufweisen müssen, auch wenn sie diese Systeme nicht identifizieren konnten.

„Es ist irgendwie natürlich, dass GW200129 die Spiegelsymmetrie bricht, da dieses System bekanntermaßen eine Präzessionsbahnebene hat“, sagte Koustav Chandra, Mitglied des Teams und Wissenschaftler an der Penn State University, in der Erklärung. „Diese unerwarteten Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen haben, da die Präzession eine Signatur für die hierarchische Bildung von Schwarzen Löchern ist.“

Während die allgemeine Relativitätstheorie die beste Beschreibung der Schwerkraft und des Kosmos in großen Maßstäben ist, ist die Quantenphysik die beste Beschreibung des subatomaren Universums, die die Menschheit hat. Doch so solide beide Theorien auch sind, sie vereinen sich nicht. Das liegt vor allem daran, dass es keine bestätigte „Quantentheorie der Schwerkraft“ gibt. Diese Forschung könnte in dieser Hinsicht helfen und auch aufzeigen, warum die Schätzungen der Expansionsrate des Universums stark schwanken können, ein Problem, das als „Hubble-Spannung“ bezeichnet wird. „In einer früheren Studie haben wir gezeigt, dass spiegelasymmetrische Verschmelzungen eine Nettoemission von polarisierten Photonen aus dem Quantenvakuum durch einen Prozess ähnlich der Hawking-Strahlung erzeugen können“, so del Rio. „Unsere Studie hat die erste brauchbare Quelle – GW200129 – identifiziert, die diesen Effekt erzeugen kann.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 23. Januar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.