Dritter klarer Fall: Gravitationswellen fast schon Routine

Drei klare Fälle und ein marginaler vierter: Die LIGO-Detektoren haben jeweils die Gravitationswellen von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit etlichen Sonnenmassen (senkrechte Skala) zu einem noch größeren beobachtet. Und damit eine neue Population Schwarzer Löcher etabliert, denn vorher kannte die Astronomie nur viel masseärmere Pärchen (links unten). [LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)]

Am 4. Januar sind abermals die Gravitationswellen von einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher durch die Erde gelaufen, registriert von den beiden LIGO-Detektoren in den USA in 3 Millisekunden Abstand: Mit nunmehr drei klaren Ereignissen und mehreren weiteren Kandidaten ist die Gravitationswellen-Forschung von einem kühnen technischen Experiment zu einem Werkzeug der Astronomie geworden.

„Angesichts nun mindestens zweier klarer Nachweise sollten weitere Erfolge garantiert sein“, hatte es hier nach der zweiten klaren Detektion einer Gravitationswelle aus den Tiefen des Alls geheißen – und hier ist schon der nächste: Während des zweiten Beobachtungslaufs, der am 30. November begann und noch bis Ende August gehen soll, hat wieder eine winzige aber eindeutige Deformation des Raumes selbst die Erde und damit auch die beiden Laser-Interferometer in den USA passiert (Bild unten). Und der Vergleich mit tausenden per Allgemeiner Relativitätstheorie berechneten Signalformen zeigt: Da sind sich in rund 3 Milliarden Lichtjahren Entfernung zwei Schwarze Löcher mit etwa 30 und 20 Sonnenmassen auf einer Kreisbahn immer näher gekommen und am Ende miteinander verschmolzen, wobei ein neues Schwarzes Loch mit rund 50 Sonnenmassen entstand. Diese drei Angaben haben jeweils eine Ungenauigkeit von gut 10 Sonnenmassen, aber klar ist, dass das Äquivalent von rund 2 Sonnenmassen an Wellenenergie davon getragen wurde. Und in den Signalen steckt diesmal sogar noch etwas mehr Information: Vermutlich haben beide Schwarzen Löcher rotiert – und die Rotationsachse von mindestens einem stand nicht senkrecht auf der Ebene ihrer Bahn umeinander, denn dann hätte sich ihre Fusion im letzten Moment spürbar verzögert.

Das Signal vom 4. Januar, wie es die Detektoren in Washington und Louisiana sahen: Die Zeitachse überspannt 1/8 Sekunde, oben ist die Frequenz in Hertz, unten die Verformung des Raumes als Bruchteile von 10^-21 aufgetragen. Dort wurden die beiden Signale übereinander geschoben und in schwarz das beste Modell darüber gelegt. [Abbott et al.]

Diese – noch mit etwas Vorsicht zu genießende – Aussage liefert wiederum ein Hinweis auf die Entstehung zumindest dieses Schwarzloch-Paares: Gemeinsam haben sie sich demnach nicht gebildet sondern erst später zusammen gefunden, wohl als sie durch dynamische Effekte ins Zentrum eines Sternhaufens gesunken waren. Und selbst entstanden sind sie vermutlich durch den Untergang extrem massereicher Sterne, die gleichzeitig arm an schweren chemischen Elementen („Metallen“ im Astro-Jargon) sind und deswegen während ihres kurzen Lebens kaum Masse als Sternwind verlieren.

Nach drei solchen Fällen und vagen Hinweisen auf einen vierten (Grafik oben) lässt sich nun klar konstatieren, dass es da eine neue Population von schweren Schwarzen Löchern gibt, die so nicht vorhergesagt war: eine echte astronomische Entdeckung also. Bald werden die LIGO-Detektoren nochmals verbessert, und ab Sommer soll in Italien der Detektor Virgo dazu stoßen: Dann darf mit einer solchen Schwarzloch-Fusion einmal pro Tag bis pro Woche gerechnet werden. Und wenn das charakteristische Zittern an drei Orten auf der Erde aufgezeichnet wird, lässt sich aus den Zeitdifferenzen auch 10- bis 100-mal genauer als mit nur den zwei LIGOs der Ort am Himmel bestimmen – auch das gehört schließlich zu richtiger Astronomie dazu.

LINKS:
Originalarbeit: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.221101
Pressemitteilung der MPG: https://www.mpg.de/11322709/gravitationswellen-gehen-zum-dritten-mal-ins-netz
Das neueste LIGO-Magazin: http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazine-issue-10.pdf