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Das Geräusch vom Wachsen Schwarzer Löcher
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
12. September 2025
Am Wochenende jährt sich der Empfang des ersten
Gravitationswellensignals zum zehnten Mal. Die damalige Entdeckung stellt einen
wichtigen Meilenstein der Astronomie und den Beginn eines neuen Zeitalters der
Beobachtung unseres Universums dar. Rechtzeitig zum Jubiläum wurden auch die
Ergebnisse der Auswertung eines besonders klaren Signals veröffentlicht.
Künstlerische Darstellung der Verschmelzung
zweier Schwarzer Löcher unter Aussendung von
Gravitationswellen.
Bild: Maggie Chiang für die Simons
Foundation [Großansicht] |
Am 14. September 2015 erreichte ein Signal von einem Paar Schwarzer Löcher
die Erde. Es enthielt Informationen darüber wie sich die beiden Objekte in einer
fernen Galaxie umrundet hatten, sich immer näher kamen und schließlich
miteinander verschmolzen. Die beiden Detektoren des Laser Interferometer
Gravitational-Wave Observatory (LIGO) beobachteten zum ersten Mal
Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löcher. Seitdem wurden rund 300
weitere Verschmelzungen Schwarzer Löcher und Neutronensterne beobachtet. Mit
diesen Messungen wurde eine neue Ära der Astronomie eingeläutet.
Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
(Albert-Einstein-Institut, AEI) und der Leibniz-Universität Hannover haben dazu
in vielen Schlüsselbereichen entscheidende Beiträge geleistet und prägen auch
weiterhin die Zukunft dieses Forschungsgebiets. "Es war eine unglaubliche Reise,
die uns zu diesem bemerkenswerten Meilenstein vor zehn Jahren geführt hat. Seit
den Anfängen dieses Forschungsgebiets treiben unsere Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler die Entwicklung neuer Technologien und Analysetechniken voran",
sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI und Direktor des Instituts für
Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover. "Heute bauen wir auf
dieser Dynamik auf und arbeiten auf eine Zukunft hin, in der die Astronomie mit
Gravitationswellen noch mehr Geheimnisse des Universums enthüllen wird."
Durch diese historische Entdeckung können Astronominnen und Astronomen das
Universum nun auf insgesamt drei verschiedene Arten beobachten. Zuvor hatten sie
elektromagnetische Wellen – wie sichtbares Licht, Röntgenstrahlung und
Radiowellen – sowie hochenergetische Teilchen und Neutrinos erfasst. Am 14.
September 2015 beobachteten die Forschenden jedoch erstmals ein kosmisches
Ereignis, indem sie dessen Wellen in der Raumzeit nachwiesen. Für diese
Entdeckung wurden Rai Weiss, Kip Thorne und Barry Barish im Jahr 2017 mit dem
Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Heute betreibt die LIGO-Virgo-KAGRA
(LVK)-Kollaboration ein internationales Netzwerk von
Gravitationswellen-Detektoren. Es besteht aus den beiden LIGO-Instrumenten in
den USA, dem Virgo-Detektor in Italien, KAGRA in Japan und GEO600 in
Deutschland. Gemeinsam haben sie insgesamt rund 300 Verschmelzungen Schwarzer
Löcher erfasst. Einige von diesen sind bestätigt, während andere noch
weitergehend untersucht werden müssen.
Seit der ersten Messung von Gravitationswellen vor zehn Jahren sind die
Detektoren wesentlich empfindlicher, die Berechnung der Gravitationswellen
moderner und die Datenanalyse hocheffizient geworden – das zeigt sich
beispielhaft in der neuesten Entdeckung, dem Gravitationswellensignal GW250114.
Es entstand bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher und ist der
allerersten Entdeckung ähnlich: Beide Signale stammen von zwei verschmelzenden
Schwarzer Löchern, deren Massen dem 30- bis 40-fachen der Masse unserer Sonne
entsprechen, und die sich in einer Entfernung von etwa 1,3 Milliarden
Lichtjahren befanden. Dank der Fortschritte in Technologie, Theorie und
Modellierung im Laufe eines Jahrzehnts ist das neue Signal GW250114 jedoch
deutlich klarer und seine Eigenschaften lassen sich genau bestimmen.
Weil GW250114 besonderes klar und deutlich beobachtet wurde, konnten die
Forschenden daraus mehrere, neue grundlegende physikalische Erkenntnisse
ableiten. In einer neuen Untersuchung legt das LVK-Team den bislang besten
beobachtungsbasierten Beweis für das Flächentheorem Schwarzer Löcher vor, das
Stephen Hawking im Jahr 1971 aufstellte. Dieses Theorem besagt, dass die
Gesamtoberfläche Schwarzer Löcher nicht abnehmen kann. Das lässt sich mithilfe
von Verschmelzungen Schwarzer Löcher überprüfen. Dazu bestimmt man die
Oberflächen der einzelnen Schwarzen Löcher vor der Verschmelzung und die des
zurückbleibenden Schwarzen Lochs nach der Verschmelzung und vergleicht dann die
beiden Messungen. Kurz gesagt konnte das LVK-Team mithilfe des kürzlich
entdeckten Signals GW250114 "hören", wie zwei Schwarze Löcher wuchsen, als sie
zu einem einzigen verschmolzen. Damit konnten sie Hawkings Theorem bestätigen.
In der veröffentlichten Studie konnten die Forschenden darüber hinaus
erstmals sicher zwei unterschiedliche Gravitationswellen-Moden – also zwei
unterschiedliche Töne – im "Ringdown" identifizieren. Der Ringdown (das
Abklingen) bezeichnet die Phase, in der das Schwarze Loch unmittelbar nach der
Verschmelzung seinen Endzustand einnimmt. Die Moden ähneln den
charakteristischen Tönen einer Glocke nach dem Anschlagen. Sie haben ähnliche
Frequenzen, klingen jedoch unterschiedlich schnell aus, was ihre Identifizierung
erschwert. Da GW250114 jedoch sehr genau beobachtet wurde, gelang es dem Team,
die beiden Töne zu extrahieren. Damit zeigten die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler, dass das Abklingen des Schwarzen Lochs genauso verlief, wie es
die Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie für rotierende Schwarze Löcher
vorhersagt.
In einer weiteren Studie grenzt die LVK-Kollaboration die Eigenschaften eines
vorhergesagten dritten Tons im Signal GW250114 ein. Sie führen zudem einige der
bislang genauesten Tests der Beschreibung verschmelzender Schwarze Löcher in der
allgemeinen Relativitätstheorie durch. Die Ergebnisse einiger dieser Tests, die
auf diesem einzelnen Signal beruhen, sind zwei- bis dreimal genauer als die der
gleichen Tests, die auf der kombinierten Untersuchung von Dutzenden der
lautesten Ereignisse aus dem neuesten Gravitationswellensignalkatalog (GWTC-4.0)
beruhen.
"Wir haben einige der bislang genauesten Überprüfungen der allgemeinen
Relativitätstheorie vorgenommen. Zusätzlich konnten wir bei GW250114 erstmals
auch die Eigenschaften eines dritten, höheren Tons beim Ausklingen des
zurückbleibenden Schwarzen Lochs eingrenzen", erklärt Alessandra Buonanno,
Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Lorenzo Pompili,
Doktorand am AEI in Potsdam, ergänzt: "Wir haben eine spektroskopische
Untersuchung des Schwarzen Lochs durchgeführt, das heißt wir haben die
unterschiedlichen Töne untersucht, die während der letzten Abklingphase der
Verschmelzung abgegeben wurden. Wir konnten zuverlässig überprüfen, ob sich das
Objekt tatsächlich wie ein rotierendes Schwarzes Loch verhält. Dafür haben wir
die Eigenschaften mehrerer Töne eingegrenzt und bestätigt, dass diese mit den
erwarteten Frequenzen und Abklingzeiten übereinstimmen."
"Insgesamt wurden Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und die
Kerr-Lösung für Schwarze Löcher erneut empirisch bestätigt", fasst Buonanno
zusammen. Die 1963 von Roy Kerr gefundene Lösung für rotierende Schwarze Löcher
ist seit der Entdeckung von Quasaren von großer Bedeutung für die Astrophysik
und die Grundlagenphysik.
In den kommenden Jahren wollen die Mitglieder der LVK-Kollaboration ihre
Geräte weiter optimieren, um mit ihnen noch tiefer in den Weltraum lauschen zu
können. "Mit den Detektoren der dritten Generation erwarten wir, die frühesten
Verschmelzungen von Schwarzen Löchern im Universum zu hören,
Gravitationswellen-Ereignisse noch präziser zu messen und ein tieferes
Verständnis der Geheimnisse unseres Universums zu erlangen", so Frank Ohme, der
eine unabhängige Forschungsgruppe am AEI leitet.
Über das neue Gravitationswellensignal berichtet das Team in einem
Fachartikel, der in den Physical Review Letters erschienen ist, eine
weitere Studie wurde gerade eingereicht und steht bereits als Preprint zur
Verfügung.
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