Gravitationswellen – die Dritten

Wieder waren zwei verschmelzende Schwarze Löcher die Urheber der Gravitationswellen (Grafik: Numerisch-relativistische Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes Project; Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), R. Haas (NCSA))

Aller guten Dinge sind drei – auch bei Gravitationswellen. Zum dritten Mal haben nun die Detektoren der LIGO-Kollaboration solche Erschütterungen der Raumzeit registriert. Die Gravitationswellen stammen von zwei Schwarzen Löchern, die drei Milliarden Lichtjahre von uns entfernt verschmolzen sind – doppelt so weit weg wie bei den vorherigen Nachweisen. Gleichzeitig liefert das neue Signal wertvolle Informationen darüber, wie es zur Kollision dieser Schwarzen Löcher kam.

Der 11. Februar 2016 läutete eine neue Ära der Astronomie und Physik ein. Denn Physiker des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) verkündeten der staunenden Weltgemeinschaft, dass ihre beiden Detektoren in den USA erstmals Gravitationswellen nachgewiesen hatten – die Erschütterungen der Raumzeit, die schon Albert Einstein vor gut hundert Jahren vorhergesagt hatte. Seit diesem Tag wissen wir, dass es Gravitationswellen wirklich gibt und dass sie sich nachweisen lassen. Ihre Entdeckung bestätigt nicht nur Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, sie eröffnet uns auch einen ganz neuen Blick auf unser Universum. Denn die Beben der Raumzeit liefern wertvolle Informationen über kosmische Ereignisse, die sich der Beobachtung mit herkömmlichen astronomischen Methoden entziehen – vorausgesetzt man kann die Gravitationswellen solcher Ereignisse auch verlässlich detektieren.

Drei Milliarden Lichtjahre entfernt

Das dies der Fall ist, belegt jetzt der bereits dritte Nachweis solcher Raumzeit-Beben. Registriert wurde das Signal auch diesmal durch die beiden Detektoren der LIGO-Kollaboration in den USA. Die beiden 3.000 Kilometer voneinander entfernten Laser-Interferometer fingen am 4. Januar 2017 um 11:11:58 unserer Zeit fast gleichzeitig die charakteristischen Schwingungen der Gravitationswellen auf. Das GW170104 getaufte Signal hielt rund 920 Millisekunden an und durchlief dabei 29 Wellenzyklen, wie die LIGO-Forscher berichten. Aus den Merkmalen der Daten schließen die Wissenschaftler, dass die Quelle dieser Gravitationswellen rund drei Milliarden Lichtjahre von uns entfernt liegt. Dies ist gut doppelt so weit wie bei den ersten beiden Nachweisen – und damit bisheriger Entfernungsrekord. Möglich wurde die Entdeckung dieser entsprechend schwächeren neuen Signale unter anderem deshalb, weil Laser und Optiken der LIGO-Detektoren im letzten Jahr weiter optimiert wurden.

Wie schon bei den beiden vorherigen Nachweisen wurden auch diese Gravitationswellen von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher verursacht. Aus einem Schwarzen Loch mit 31 Sonnenmassen und einem mit 19 Sonnenmassen entstand ein neues Schwarzes Loch mit 49 Sonnenmassen, wie die Forscher berichten. Damit liegt es genau in der Lücke zwischen den beiden zuvor registrierten Ereignissen dieser Art. "Dies bestätigt erneut, dass es stellare Schwarze Löcher von mehr als 20 Sonnenmassen tatsächlich gibt", sagt David Shoemaker, Sprecher der LIGO-Kollaboration. "Denn bevor LIGO die ersten Gravitationswellen detektierte, wussten wir gar nicht, dass es diese Klasse von Schwarzen Löchern gibt."

Wie kam es zur Kollision?

Die Merkmale der neuen Gravitationswellen verraten auch Einiges darüber, wie es zu dieser kosmischen Kollision gekommen sein könnte. Denn aus dem Signal konnten die Forscher auch Informationen zur Rotation der beiden Schwarzen Löcher kurz vor ihrer Verschmelzung herauslesen. Demnach wich die Drehbewegung bei mindestens einem der Beiden von der des Gesamtsystems ab. "Die beiden Schwarzen Löcher könnten sogar in entgegengesetzte Richtungen rotiert haben", sagt Susan Scott von der Australian National University in Canberra. Das aber erlaubt Rückschlüsse darüber, welche der beiden konkurrierenden Theorien zur Entstehung solcher Paare von Schwarzen Löchern zutreffen könnte.

Der einen Theorie nach könnten die Schwarzen Löcher bereits gemeinsam entstanden sein. Sie wurden gebildet, als die beiden stellaren Partner in einem Doppelsternsystem explodierten und so zwei einander umkreisende Schwarze Löcher schufen. In diesem Falle müssten beide Partner in die gleiche Richtung rotieren. Die zweite Theorie geht davon aus, dass solche Schwarzen Löcher auch unabhängig und in größerer Entfernung voneinander entstanden sein könnten. Erst später wurden sie dann im Gedränge eines Sternenhaufens enger zusammengeschoben. In diesem Falle könnte auch die Ausrichtung ihrer Rotationsachsen unterschiedlich sein – wie jetzt bei GW170104 erstmals nachgewiesen. "Wir haben jetzt zum ersten Mal einen Beleg dafür, dass die Schwarzen Löcher vielleicht nicht gleich ausgerichtet sind", sagt Bangalore Sathyaprakash von der Pennsylvania State University. "Das gibt uns einen winzigen Hinweis darauf, dass solche gepaarten Schwarzen Löcher tatsächlich in dichten Sternenhaufen entstehen könnten." Die Astronomen hoffen, diese Vermutung durch künftige weitere Nachweise solcher Ereignisse bestätigen zu können.

Der dritte Nachweis von Gravitationswellen hat damit nicht nur ihre Existenz bestätigt, sondern auch spannende neue Informationen geliefert. "LIGO etabliert sich damit als leistungsfähiges Observatorium für die dunkle Seite des Universums", sagt David Reitze, Exekutivdirektor des LIGO Laboratoriums. "Wir hoffen, bald auch andere Arten von astronomische Ereignissen einfangen zu können, wie beispielsweise die heftige Kollision zweier Neutronensterne."

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