Gravitationswellen

Aus der Tiefe des Raumes

Von Ulf von Rauchhaupt
10.12.2018
, 10:50
Zwei Schwarze Löcher kurz vor der Kollision
Die Gravitationswellen-Forscher haben ihre zweite Ernte eingefahren. Die meisten dieser Wellen stammen von neinanderkrachenden Schwarzen Löchern.
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Einmal ist in der Astronomie keinmal. Ein singuläres Ereignis – wie kürzlich der Durchzug des vermutlich interstellaren Himmelskörpers „Oumuamua“ durch das Sonnensystem – ist zwar interessant, beantwortet aber in der Regel keine Frage, eher im Gegenteil. Aus diesem Grund war die erste Detektion von Gravitationswellen am 14. September 2015 noch kein Ereignis der Astronomiegeschichte. Vielmehr war es ein Triumph der Experimentalphysiker, die es schafften, mit den beiden „Ligo“-Detektoren in den amerikanischen Bundesstaaten Washington und Louisiana jenes extrem schwache Erzittern der Raumzeit nachzuweisen. Und es war ein Triumph der Theoretiker, aus solchen Wacklern abzulesen, was für Geschehnisse in welcher kosmischen Entfernung das besagte Zittern produzieren.

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Graviationswellen-Astronomie aber beginnt erst jetzt. Am vergangenen Wochenende präsentierten Vertreter der Ligo-Virgo-Kollaboration auf einer Fachtagung an der University of Maryland in College Park nahe Washington D.C. vier neue Sichtungen von Gravitationswellen durch ihre Detektoren. Damit sind bis heute insgesamt elf Ereignisse registriert, bei denen sich lokale Krümmungen der Raumzeit so kurzfristig und so stark änderten, dass sie sich als lichtschnelle Gravitationswellen von ihren jeweiligen Entstehungsorten ablösten und noch in Entfernungen von Milliarden Lichtjahren nachweisbar blieben. In zehn Fällen handelte es sich um Kollisionen und daraus resultierende Verschmelzungen von Paaren sich einander umkreisender Schwarzer Löcher. Diese Crashs haben sich in 0,9 Milliarden Lichtjahren Entfernung oder mehr ereignet. Sie fanden also in weit entfernten Galaxien statt, denn selbst die entlegensten Regionen unserer Milchstraße sind kaum weiter als 200.000 Lichtjahre von uns weg.

In einem Fall, der im Oktober 2017 öffentlich gemacht wurde, war allerdings ein Paar von Neutronensternen verschmolzen. Das ereignete sich in einer deutlich größeren Nähe von gut 130 Millionen Lichtjahren, aber ebenfalls in einer anderen Galaxie. Trotzdem konnten das auch Teleskope registrieren, die für elektromagnetische Signale wie Radio- oder Gammastrahlung empfindlich sind. „Multi-Messenger-Astronomie“ nennt man solche Beobachtungen eines Himmelsereignisses mit verschiedenen, für ganz unterschiedliche physikalische Prozesse empfindlichen Methoden.

Bisher beobachtete verschmelzende Schwarze Löcher (blau) sind tendentiell schwerer als andere (lila).
Bisher beobachtete verschmelzende Schwarze Löcher (blau) sind tendentiell schwerer als andere (lila). Bild: F.A.Z. Graphik kmal. Quelle: Ligo-Virgo, Frank Elavsky, Northwestern University

Da sich aus den Gravitationswellen-Signalen Aussagen unter anderem über die Massen der Kollisionspartner sowie der jeweils resultierenden Objekte ableiten lassen, ist jetzt mehr darüber bekannt, mit welchen Massen solche sogenannten stellaren Schwarze Löcher auftreten (siehe „Massen im stellaren Friedhof“). „Stellar“ heißen sie, weil sie sich – nach allem, was man über sie weiß – bei Implosionen von Kernzonen extrem schwerer Sterne bilden, nachdem den betreffenden Sternen der nukleare Brennstoff ausgegangen ist. Auch Neutronensterne entstehen auf diese Weise, allerdings aus oft nicht ganz so schweren Sternen. Neben stellaren Schwarzen Löchern gibt es noch sogenannte supermassive Schwarze Löcher, die jeweils millionen- oder gar milliardenmal schwerer sind als ein typischer Stern und in den Zentralregionen der Galaxien sitzen. Da auch Galaxien zuweilen kollidieren, muss es auch zur Verschmelzung solcher Monster kommen, was ebenfalls Gravitationswellen freisetzen sollte, allerdings keine in dem Frequenzbereich, in dem Ligo empfindlich ist.

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Die vier jetzt bekanntgemachten Ereignisse wurden alle in den Daten der zweiten Beobachtungsperiode des Ligo-Detektorsystems zwischen dem 30. November 2016 und dem 25. August 2017 gefunden, zu dem am 1. August 2017 auch noch der italienische Detektor „Advanced Virgo“ nahe Pisa zugeschaltet wurde. Dadurch, dass nun drei statt nur zwei über den Globus verteilte Messgeräte beteiligt sind, lassen sich die Positionen der Gravitationswellenquellen wesentlich genauer bestimmen. Nicht zuletzt für die Multi-Massenger-Astronomie ist das ein entscheidender Fortschritt, der sich noch weiter verbessern soll, wenn sich gegen Ende des dritten Beobachtungslaufs im kommenden Jahr mit „Kagra“ in Japan ein vierter Detektor hinzugesellt hat.

Die erste Beobachtungsperiode – sie dauerte vom 12. September 2015 bis 19. Januar 2016 – hatte bereits an ihrem dritten Tag besagte Erstdetektion geliefert und Rainer Weiss, dem Initiator der Ligo-Detektoren, sowie Kip Thorne und Barry Barish den Physik-Nobelpreis des Jahres 2017 beschert. Immerhin waren Gravitationswellen die letzte bis dahin unbestätigte Konsequenz gewesen, die Albert Einstein aus seiner 1915 veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie gezogen hatte.

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Ein dickes Ding

Auch als Einzelereignis hatte die Erstdetektion bei ihrer Veröffentlichung im Februar 2016 die Astrophysiker aufhorchen lassen. Denn aus der Signalkurve ergab sich, dass die dafür verantwortlichen Schwarzen Löcher Massen von 35,6 und 30,6 Sonnenmassen besessen haben und zu einem 63,1 Sonnenmassen schweren Brummer verschmolzen sein mussten. Derart dicke stellare Schwarze Löcher waren aus konventionellen Beobachtungen elektromagnetisch strahlender Materie in ihrer Umgebung bis dahin unbekannt. Heute ist deutlich, dass dies wohl kein statistischer Ausreißer gewesen war: In der jetzt verfügbaren Liste aller registrierten Gravitationswellen-Ereignisse dominieren großkalibrige Schwarze Löcher.

Gravitationswellenantenne Ligo in Livingston (Lousinana). Das Observatorium besteht aus zwei senkrechten verlaufenden jeweils 4 Kilometer langen Laserarmen.
Gravitationswellenantenne Ligo in Livingston (Lousinana). Das Observatorium besteht aus zwei senkrechten verlaufenden jeweils 4 Kilometer langen Laserarmen. Bild: Ligo

Unter den vier neu verkündeten Quellen befindet sich sogar eine, bei der ein 50,6 Sonnenmassen schweres Loch mit einem von 34,3 Sonnenmassen kollidiert ist. Das Ergebnis war ein Objekt von 80,3 Sonnenmassen – ein neuer Rekord für stellare Schwarze Löcher. Die Massendifferenz von Ausgangs- und Endprodukt der Verschmelzung von 4,6 Sonnenmassen wurde bei dieser Kollision nach Einsteins berühmter Beziehung E=mc⊃2; komplett in Gravitationswellenenergie umgewandelt. Angesichts dieser gewaltigen Energiemenge – die Detonation der Hiroshima-Bombe setzte gerade mal das Äquivalent von 0,7 Gramm frei – verwundert es nicht, dass dieses Verschmelzungsereignis zugleich das mit der größten Entfernung war: Die Energie reichte für eine messbare Signalstärke der Gravitationswelle, nachdem sie fünf Milliarden Jahre unterwegs gewesen war, bevor Ligo sie am 29. Juli 2017 registrierte.

Mindestens alle 15 Tage eine Welle

Und „GW170729“, so die vom Datum diktierte Bezeichnung, ist eines von zwei Ereignissen, bei denen die Signalformen Hinweise enthalten, dass sich mindestens eines der beiden Kollisionspartner vor der Verschmelzung um die eigene Achse drehte. Wahrscheinlich bedarf es aber noch etlicher weiterer Gravitationswellenfunde, bis klar ist, ob dies nicht ein zufälliger Befund ist. „Wenn wir in Zukunft mehr Detektionen haben“, sagt Alessandra Buonanno vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, „werden wir auch in der Lage sein, zu verstehen, ob die Drehachsen der Schwarzen Löcher bevorzugt in die gleiche Richtung weisen oder ob sie eher gleichförmig über alle Richtungen verteilt sind.“

Jeweils vier Kilometer lang sind die in Röhren verlaufende Laserarme des Ligo-Observatoriums in Hanford (Washington). In der Mitte sind die Bürogebäude zu erkennen.
Jeweils vier Kilometer lang sind die in Röhren verlaufende Laserarme des Ligo-Observatoriums in Hanford (Washington). In der Mitte sind die Bürogebäude zu erkennen. Bild: LIGO Laboratory

Die Zahl an Beobachtungen dürfte nach Beginn des dritten Laufs im kommenden Frühjahr weiter steigen. In zwei vorab als Preprints veröffentlichten Fachartikeln, welche die Forscher der Ligo-Virgo-Kollaboration am Vorabend der Tagung in College Park ins Internet stellten, erwähnen sie auch eine Liste mit 14 weiteren Ereignissen, sogenannten „marginal events“, bei denen nicht mit hinreichender Sicherheit geklärt ist, ob sich dahinter wirklich Kollisionen kompakter Himmelskörper verbergen oder nur irdische Dreckeffekte der Messung. Aber selbst wenn man diese „marginal events“ nicht mitrechnet, hätte Ligo (beziehungsweise Ligo-Virgo) in den ersten beiden Beobachtungsläufen alle 15 Tage ein Ereignis gesehen.

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Je mehr unbezweifelbar echte Gravitationswellen-Detektionen sich ansammeln, desto genauer werden auch insgesamt die Aussagen, die man über ihre bizarren Quellen treffen kann. Dann wird klarer, ob es wirklich keine kompakten Objekte zwischen etwa drei und fünf Sonnenmassen gibt und wo Ereignisse bleiben, in denen ein Schwarzes Loch und ein Neutronenstern kollidieren. Nicht zuletzt sind die Forscher auf weitere Neutronenstern-Verschmelzungen gespannt, in denen nach neueren Erkenntnissen ein Großteil der chemischen Elemente entstehen, die schwerer sind als Eisen. Ligo und Virgo waren eigentlich für solche Neutronenstern-Ereignisse optimiert worden. Doch die unerwartet massereichen Schwarzen Löcher, die damit noch aus größerer Entfernung detektierbar sind, haben ihnen bislang die Show gestohlen.

Quelle: F.A.S.
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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