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Einstein besteht Tests mit bislang klarstem
Gravitationswellensignal
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
30. Januar 2026
Ein Team der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration hat einige der
bislang präzisesten Tests von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie
durchgeführt. Bei allen Tests mithilfe eines außerordentlich klaren
Gravitationswellensignals aus dem Januar 2025 stimmten die Beobachtungen mit den
Vorhersagen der Theorie überein. Das Signal stammt von der Verschmelzung zweier
Schwarzer Löcher.
Visualisierung der Ringdown-Phase einer Verschmelzung
zweier Schwarzer Löcher, die mit dem
Gravitationswellenereignis GW250114 übereinstimmt.
Bild: H. Pfeiffer, A. Buonanno
(Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), K. Mitman
(Cornell University) [Großansicht] |
Vor fast genau einem Jahr beobachtete die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration das
bislang klarste Gravitationswellen-Signal: GW250114 stammte von einer
Verschmelzung Schwarzer Löcher in einer Entfernung von etwa 1,3 Milliarden
Lichtjahren. Die Massen der beteiligten Schwarzen Löcher lagen zwischen dem 30-
und 40-fachen der unserer Sonne. "Dieses Signal hat sich bereits zuvor als
unschätzbar wertvoll für die Untersuchung der Natur Schwarzer Löcher und von
Hawkings Flächentheorem erwiesen", sagt Alessandra Buonanno, Direktorin der
Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) im
Potsdam Science Park. "Jetzt sind wir noch einen Schritt weiter gegangen: Wir
haben anhand von GW250114 einige der strengsten Obergrenzen für mögliche
Abweichungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gesetzt."
Weil GW250114 so klar und deutlich beobachtet wurde, lässt es sich viel
genauer als andere Signale mit den Vorhersagen der Relativitätstheorie
vergleichen. So können Forschende überprüfen, ob die allgemeine
Relativitätstheorie unter den extremen Bedingungen einer Verschmelzung zweier
Schwarzer Löcher gültig ist. Bei diesen Ereignissen spielen sowohl starke
Gravitationsfelder als auch extrem dynamische Abläufe eine Rolle. Jede
beobachtete Abweichung von den theoretischen Vorhersagen könnte ein Hinweis auf
neue Physik jenseits von Einsteins Theorie sein.
Das internationale Forschungsteam erzielte einige der wichtigsten Ergebnisse
mit einer Methode, die als Spektroskopie Schwarzer Löcher bekannt ist. Dazu
untersuchte das Team das Abklingen (englisch: "ringdown") des Signals GW250114.
Das ist die Phase, in der das Schwarze Loch direkt nach der Verschmelzung in
seinen Endzustand gelangt. Dabei sendet es ein charakteristisches Spektrum von
Gravitationswellen-Tönen aus. Diese Töne ähneln denen einer läutenden Glocke.
Jeder Ton wird durch zwei Zahlen beschrieben: seine Frequenz und die Zeit, in
der er abklingt. Die Spektroskopie Schwarzer Löcher ist die Messung dieser Töne
und ihrer Abklingzeiten.
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist jedes Schwarze Loch vollständig
durch seine Masse und seinen Drehimpuls (Spin) beschrieben. Das ist auch als
"Keine-Haare-Theorem" bekannt. Masse und Spin müssen daher auch Frequenzen und
Abklingzeiten aller Gravitationswellen-Töne in der Abklingphase eindeutig und
vollständig bestimmen. Messungen mehrerer Töne ermöglichen einzigartige Tests
der allgemeinen Relativitätstheorie und die Suche nach neuer Physik jenseits von
Einsteins Theorie.
"Indem wir nur die Abklingphase untersucht haben, haben wir überprüft, ob
sich das in der Verschmelzung entstandene Objekt wie ein rotierendes Schwarzes
Loch gemäß Einsteins Gravitationstheorie verhält", sagt Lorenzo Pompili,
ehemaliger Doktorand in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische
Relativitätstheorie. "Durch die Analyse der Daten aus der Abklingphase konnten
wir den Gravitationswellen-Grundton und seinen schneller abklingenden ersten
Oberton identifizieren. Wir haben bestätigt, dass ihre Frequenzen und
Abklingzeiten mit denen übereinstimmen, die die allgemeine Relativitätstheorie
vorhersagt."
Zum ersten Mal haben Forschende des AEI in Potsdam mit einem neu entwickelten
Datenanalyse-Werkzeug einen dritten Ton in der Abklingphase des Signals
gefunden. "Unser 2018 erstmals vorgeschlagenes Analysewerkzeug berücksichtigt
die vollständige Verschmelzung der Schwarzen Löcher. Zudem macht es vorab keine
Annahmen über die Töne, die während der Abklingphase ausgesendet werden",
erklärt Elisa Maggio, ehemals Marie-Curie-Stipendiatin in der Abteilung
Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie und jetzt
INFN-Forscherin in Rom.
Maggio und Pompili haben die neueste Version des Werkzeugs gemeinsam
entwickelt und die Analyse zusammen durchgeführt. "Weil wir Informationen aus
dem gesamten Signal berücksichtigt haben, konnten wir erstmals einen höheren Ton
bei etwa der doppelten Frequenz des Grundtons untersuchen. Seine Eigenschaften
stimmen ebenfalls mit den theoretischen Vorhersagen überein." Diese beiden Tests
– einer, der allein die Abklingphase untersucht, und einer, der das gesamte
Signal berücksichtigt – ergänzen einander. Sie sind eine erneute empirische
Bestätigung der 1963 von Roy Kerr gefundenen Lösung der Relativitätstheorie für
rotierende Schwarze Löcher.
Das Forschungsteam untersuchte außerdem eine frühe Phase der klar
beobachteten Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher, in der sich diese
langsamer umkreisten. "Wir haben ein flexibles, theorieunabhängiges Verfahren
eingesetzt, das zuvor am AEI entwickelt wurde. Damit haben wir bestimmt, wie
stark das Gravitationswellen-Signal in der Anfangsphase von den Vorhersagen der
allgemeinen Relativitätstheorie abwich", sagt Elise Sänger, Doktorandin in der
Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie, die die
Analyse durchgeführt hat. "Es ist bemerkenswert, dass wir allein mit den Daten
dieses einen klaren Signals einige der genauesten Obergrenzen für mögliche
Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie bestimmen konnten." Die
Obergrenzen möglicher Abweichungen, die mit dem am AEI entwickelten Modell
bestimmt wurden, sind zwei- bis dreimal niedriger als diejenigen, die durch die
gemeinsame Verarbeitung von Daten Dutzender Signale aus dem vierten
Gravitational-Wave Transient Catalogue (GWTC-4.0) erhalten wurden.
"Diese Ergebnisse zeigen den großen wissenschaftlichen Wert präziser
Wellenformmodelle und ausgefeilter Methoden zur Datenanalyse", unterstreicht
Buonanno. "Doch das ist erst der Anfang. In zukünftigen Beobachtungsläufen
werden wir Signale wie GW250114 häufiger entdecken und noch deutlicher
beobachten. Jedes einzelne davon wird neue Möglichkeiten bieten, um Einsteins
Theorie zu überprüfen und nach neuer Physik zu suchen."
Die Ergebnisse der Analyse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review
Letters veröffentlicht.
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