(Bildnachweis: SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project)
Die Verschmelzung von Schwarzen Löchern ist wunderschön – und gehört zu den gewaltigsten Ereignissen im Kosmos. Hier sehen Sie, wie der Prozess abläuft.
Die Geschichte beginnt mit zwei schwarzen Löchern, die weit voneinander entfernt in langen, trägen Kreisen kreisen. Sie könnten als binäres Sternenpaar geboren worden sein, oder sie sind sich in den Tiefen des interstellaren Raums zufällig begegnet. In jedem Fall müssen sie sich annähern, um zu verschmelzen, was bedeutet, dass sie eine Menge Bahnenergie verlieren.
Der erste Schritt, um dem System Energie zu entziehen, ist die Interaktion der Schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung. Sie sind nicht allein – es gibt immer dünne Gas- und Staubfetzen, die um sie herumschweben, und manchmal gibt es sogar größere Objekte wie Planeten oder Sterne. All diese Objekte interagieren durch die Schwerkraft mit dem Schwarzen Loch. Manchmal fallen sie hinein und werden nie wieder gesehen. In anderen Fällen verfehlen sie es nur knapp, erhalten einen kleinen Geschwindigkeitsschub und entziehen dem Schwarzen Loch etwas von seiner Bahnenergie.
Wenn sich die schwarzen Löcher nahe genug kommen, setzt ein anderer Prozess ein. Die schwarzen Löcher bewegen die Raumzeit, während sie sich umkreisen, und diese Bewegung setzt Gravitationswellen frei, die von dem Paar ausgehen wie Wellen in einem Teich. Die Gravitationswellen sind jedoch unglaublich schwach und beginnen erst dann, ernsthaft Energie zu verbrauchen, wenn die schwarzen Löcher sehr, sehr nahe beieinander sind.
Dies hat Astrophysiker zu einem Rätsel geführt, das als „Endparsec-Problem“ bezeichnet wird. Simulationen haben gezeigt, dass die Gravitationswechselwirkungen mit der Umgebung Schwarze Löcher in einer angemessenen Zeitspanne bis auf etwa ein Parsec (etwa 3,26 Lichtjahre) aneinander heranbringen können. Aber innerhalb dieser Entfernung gibt es einfach nicht genug Material, um weiterhin Energie abzuziehen. Auf der anderen Seite sind die Gravitationswellen in der gleichen Entfernung viel zu schwach und würden ein Vielfaches des Alters des Universums benötigen, um die Aufgabe zu bewältigen.
Das Endparsec-Problem ist derzeit ein ungelöstes Rätsel der Astrophysik. Aber welcher Mechanismus auch immer abläuft, irgendwann kommen sich die schwarzen Löcher so nahe, dass die Gravitationswellen dem System wirklich viel Energie entziehen können. Zu diesem Zeitpunkt bleiben den schwarzen Löchern nur noch wenige Sekunden, bevor sie verschmelzen.
Bei diesen geringen Abständen beginnen die schwarzen Löcher, sich gegenseitig zu deformieren. Sie haben keine wirklichen Oberflächen; die Ereignishorizonte sind unsichtbare Grenzen, die den Bereich markieren, aus dem es kein Entkommen gibt. Aber die Form des Ereignishorizonts hängt nicht nur vom Schwarzen Loch selbst ab, sondern auch von der Geometrie der Raumzeit um das Loch herum. Wenn also die Schwarzen Löcher ihren tödlichen Tanz beginnen, dehnen sich die Ereignishorizonte aus und nähern sich einander an.
Was dann passiert, verstehen wir nur durch komplexe Computersimulationen, die die Entwicklung der Ereignishorizonte überwachen und verfolgen. In den Millisekunden vor dem Aufprall sendet jedes schwarze Loch eine dünne Ranke – einen winzigen Tunnel seines Ereignishorizonts – in Richtung seines Begleiters aus. Diese Ranken treffen sich und verschmelzen und bilden eine Brücke zwischen den beiden Schwarzen Löchern, als wären sie durch eine Nabelschnur verbunden.
Schnell weitet sich die Brücke und die Ereignishorizonte verkleben miteinander, wie zwei kollidierende Seifenblasen. Innerhalb eines Augenblicks verschmelzen die schwarzen Löcher zu einem einzigen.
Was im Inneren passiert, kann man nur vermuten. Das Zentrum eines Schwarzen Lochs ist als Singularität bekannt, ein Punkt mit unendlicher Dichte. Hier bricht unser derzeitiges Verständnis der Physik zusammen. Simulationen zeigen, dass die Singularitäten schnell zueinander finden, sich kurz umkreisen und dann verschmelzen – aber was tatsächlich passiert, ist unklar.
Das neu verschmolzene Schwarze Loch hat seltsamerweise eine Masse, die geringer ist als die des ursprünglichen Paares zusammen. So entdeckte die wissenschaftliche Kollaboration LIGO im Jahr 2016 das erste Gravitationswellenereignis, das auf die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zurückzuführen ist. Dabei wurde festgestellt, dass ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 36 Sonnenmassen mit einem Schwarzen Loch mit einer Masse von 30 Sonnenmassen verschmolzen war und ein neues Loch mit einer Masse von nur 63 Sonnenmassen entstand.
Was geschah mit den zusätzlichen drei Sonnenmassen? Diese Masse wurde in Energie in Form von Gravitationswellen umgewandelt. Irgendjemand musste für den Energieverlust aufkommen, und zwar durch die Umwandlung der Masse des Schwarzen Lochs selbst. Bei jeder Verschmelzung eines Schwarzen Lochs werden etwa 5 % in Gravitationswellen umgewandelt.
Zum Vergleich: Das entspricht der Umwandlung von drei ganzen Sonnen in reine Energie. Wenn Schwarze Löcher kollidieren, setzen sie mehr Energie frei als jeder Stern im Universum – und all das geschieht in völliger Stille und Dunkelheit.
