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Gravitationswellen aufgespürt : Schwarze Löcher beim Paartanz

Zwei Schwarze Löcher, eines um ein Drittel kleiner als das andere. Einmal werden sie sich noch umrunden und dann verschmelzen. Bild: Computersimulation: Bohn et. al. Class. Quantum Grav. 32 , 065002, (2015)

Die jahrelange Suche nach Einsteins Gravitationswellen trägt Früchte. Abermals sind die verräterischen Verzerrungen der Raumzeit im All beobachtet worden. Auslöser war eine gewaltige Kollision.

          Es war eine Sensation, als die Forscher der internationalen Ligo-Kollaboration im Februar dieses Jahres den ersten direkten Nachweis von Einsteins Gravitationswellen verkündeten. Das Ereignis mit der Bezeichnung GW150914 war am 14. September 2015 beobachtet worden. Nun sind die Ligo-Wissenschaftler ein zweites Mal erfolgreich gewesen. Auf der Jahrestagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft  in San Diego berichteten sie heute, dass sie mit den beiden hochempfindlichen Ligo-Observatorien in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) am 26. Dezember 2015 abermals jene oszillierende Verzerrungen des Raum-Zeit-Gefüges beobachtet hätten, deren Existenz Albert Einstein vor hundert Jahren als Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt hatte. Die Quelle des Ereignisses waren auch dieses Mal zwei Schwarze Löcher, die sich in einer Entfernung von 1,4 Milliarden Lichtjahren immer enger umkreisten, kollidierten und schließlich miteinander verschmolzen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Gravitationswellen sind eine Art unsichtbarer Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Albert Einstein hatte 1916 auf ihre Existenz aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie geschlossen. Die oszillierenden Verzerrungen des Raumes würden, so Einstein, immer dann entstehen, wenn Massen beschleunigt oder abgebremst werden. Allerdings müssten die Massen entsprechend groß sein, um messbare Gravitationswellen erzeugen zu können. Tatsächlich hatte sich die Fahndung nach den Wellen recht mühsam erwiesen.

          Simulation des Gravitationswellen-Ereignisses GW151226, ausgelöst von zwei umkreisenden Schwarzen Löchern:  Numerical - relativistic Simulation, S. Ossokine, A. Buonanno, Simulating eXtreme Spacetime project Scientific Visualization: T. Dietrich, R. Haas.

          Da Gravitationswellen unsichtbar sind, kann kein herkömmliches Teleskop sie erfassen. Deshalb haben die Physiker spezielle Antennen wie Geo600 in Deutschland, Virgo in Italien und Ligo in den Vereinigten Staaten ersonnen, um die schwachen Signale vom „Raumzeit-Beben“ aus den Tiefen des Weltalls einzufangen. Die Instrumente funktionieren nach dem Prinzip des von Michelson und Morley um 1880 entwickelten Interferometers und sind in der Lage, von Gravitationswellen verursachte Dehnungen und Stauchungen des Raumes äußerst präzise zu messen. Die beiden Ligo-Antennen sind mit ihren beiden jeweils vier Kilometer langen Laserarmen – und nicht zuletzt dank Deutscher Technik – mittlerweile die empfindlichsten Gravitationswellendetektoren weltweit.

          GW150914 - der große Durchbruch

          Groß war die Freude, als man am 14. September 2015 die ersten Gravitationswellen registrierte, deren Nachweis man nach gründlichen Analysen im Februar dieses Jahres der Öffentlichkeit präsentierte. Verursacher waren zwei kollidierenden Schwarzen Löchern in 1,3 Milliarden Lichtjahre Entfernung gewesen. Die Objekte mit der 29-Fachen und 36-fachen Masse der Sonne hinterließen ein Loch mit 62 Sonnenmassen.

          GW151226 - verborgen im Rauschen

          Drei Monate später, am 26. Dezember 2015 um 4.38 Uhr mitteleuropäischer Zeit, schlugen die beiden Ligo-Observatorien abermals Alarm: Zwei Schwarze Löcher mit 8 und 14 Mal so viel Masse wie unsere Sonne verschmolzen zu einem einzigen Schwarzen Loch mit 21 Sonnenmassen – die Masse einer Sonne wurde bei diesem Ereignis in Form von  Gravitationswellen abgestrahlt.

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

          Das Ereignis vom September war allerdings dreimal so stark. Deshalb ist das jüngste Signal auch entsprechend schwächer ausgefallen und war im viel stärkeren Rauschen der beiden Ligo-Detektoren verborgen. Dank spezieller Such- und Modellierungs-Programme, die an den Max-Planck-Instituten für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover entwickelt wurden, konnte man das Signal schließlich herausfiltern und identifizieren. Die Analyse dieses Ereignisses, das nach dem Datum der Entdeckung die Katalognummer GW151226 bekommen hat, präsentieren die Wissenschaftler nun auch detailliert in den „Physical Review Letters“.

          Start frei für Gravitaionswellen-Astronomie

          Anders als beim ersten Nachweis konnten die Forscher dieses Mal nicht nur die letzten vier Umrundungen der verschmelzenden Schwarzen Löcher beobachten, sondern auch zuschauen, wie beide Objekte sich noch 27 Mal umkreisten, bevor sie miteinander kollidierten. Außerdem habe mindestens eines der Löcher rotiert, erklärten die Wissenschaftler in San Diego. „Wegen ihrer geringeren Masse konnte das Gravitations-Echo der beidem Löcher über einen längeren Zeitraum – rund eine Sekunde lang – gemessen werden“, erklärte die wissenschaftliche Sprecherin von Ligo, Gabriela González von der Louisiana State University.

          Mit den Ereignissen GW150914 und GW151226 sei nach Ansicht von González ein vielversprechender Anfang gemacht, um die Populationen Schwarzer Löcher in unserem Universum zu kartieren. Da man mit herkömmlichen Teleskopen diese Objekte nur indirekt beobachten lassen, kann man ihre Häufigkeit nur grob schätzen. Vom kommenden Jahr an soll der italienisch-französische Virgo-Detektor bei Pisa die beiden Ligo-Antennen ergänzen. Mit drei Observatorien könnte die Position der Gravitationswellen-Quellen am Himmel erstmals über eine Verfahren der optischen Abstandsmessung – Triangulation genannt – bestimmt werden. „Ich bin zuversichtlich, dass wir in den kommenden Jahren Dutzende ähnlich verschmelzende Schwarze Löcher beobachten und viel über das Universum erfahren werden“, ist sich auch der geschäftsführender Direktor des Albert Einstein Instituts in Potsdam, Bruce Allen, sicher. „Mit dem zweiten Ereignis sind wir auf dem guten Weg zur echten Gravitationswellen-Astronomie“, ergänzt sein Kollege Karsten Danzmann, Direktor am Albert-Einstein-Institut (AEI) in Hannover: „Wir können nun beginnen, eine Vielzahl von Quellen der unbekannten dunklen Seite des Universums zu erforschen, die mit normalen Teleskopen nicht zugänglich ist.“

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