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Weiterführende Informationen

LIGO und Virgo fangen ihren bislang dicksten Fisch

Gravitationswellendetektoren beobachten bisher massereichstes und am weitesten entferntes Ereignis

2. September 2020

LIGO und Virgo haben in ihrem dritten Beobachtungslauf ein wahrhaft gewichtiges Ereignis beobachtet. Heute wurden die Ergebnisse der Gravitationswellenmessungen veröffentlicht, die die massereichste Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher zeigen, die bislang beobachtet wurde. Die Kollision der beiden Schwarzen Löcher ereignete sich, als das Universum halb so alt war wie heute. Entstanden ist dabei ein Schwarzes Loch mit 142 Sonnenmassen - zum ersten Mal konnte die Geburt eines solchen mittelschweren Schwarzen Lochs direkt beobachtet werden. Noch erstaunlicher ist das schwerere Schwarze Loch in diesem Paar: Mit der 85-fachen Masse unserer Sonne dürfte es nach dem heutigen Verständnis als Ergebnis von Sternexplosionen gar nicht existieren. Es könnte aber aus einer vorhergehenden Verschmelzung Schwarzer Löcher stammen. Noch ist unbekannt, ob dieses Gravitationswellensignal namens GW190521 eine neue Klasse von Doppelsystemen Schwarzer Löcher begründet oder lediglich am oberen Ende eines weiten Massenspektrums liegt. Wissenschaftler*innen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover sowie an der Leibniz Universität Hannover haben entscheidend zu dieser Entdeckung und ihrer Interpretation beigetragen.

Heute haben die LIGO-Scientific-Kollaboration und die Virgo-Kollaboration die neuesten Beobachtungsergebnisse und deren astrophysikalischen Bedeutung in den Fachzeitschriften Physical Review Letters und Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. GW190521 wurde von beiden LIGO-Detektoren und dem Virgo-Detektor am 21. Mai 2019 empfangen – am Anfang ihres dritten gemeinsamen Beobachtungslaufs O3, der am 1. April 2019 begann.

Numerische Simulation der Verschmelzung zwei schwerer Schwarzer Löcher (GW190521)

„Von Anfang an stellte uns dieses gerade einmal eine Zehntelsekunde lange Signal vor Herausforderungen, als wir seine Quelle identifizieren wollten.“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Potsdam und College-Park-Professorin an der University of Maryland. Sie fügt hinzu: „Aber trotz der kurzen Dauer konnten wir zeigen, dass das Signal einem entspricht, das wir – wie von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt – von verschmelzenden Schwarzen Löchern erwarten. Uns wurde klar, dass wir erstmals Zeuge der Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs waren, dessen einer Elternteil höchstwahrscheinlich selbst aus einer früheren Verschmelzung eines Doppelsystems hervorgegangen ist.“

Eine Kurznachricht aus einer weit entfernten Galaxie

GW190521 ist das vierte Gravitationswellensignal aus O3, das veröffentlicht wurde, und es ist ziemlich kurz: Es dauerte etwa eine Zehntelsekunde und umfasst vier Gravitationswellenzyklen (entsprechend zwei gegenseitigen Umläufen der Schwarzen Löcher) im Frequenzband der Detektoren. Während dieser kurzen Zeit steigt die Frequenz von 30 Hertz auf 80 Hertz, bevor das Signal mit der Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher endet.

GW190521 ist nicht nur diejenige Verschmelzung Schwarzer Löcher mit der höchsten bisher beobachteten Gesamtmasse, sondern auch die am weitesten entfernte. Aufgrund der großen Masse wurden sehr starke Gravitationswellen (dem Energieäquivalent der achtfachen Sonnenmasse entsprechend) ausgesendet. Dadurch wird das Signal laut und lässt sich auch über große kosmologische Entfernungen nachweisen. Die Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit einer Gesamtmasse von fast 150 Sonnen fand vor etwa sieben Milliarden Jahren statt – damals war das Universum halb so alt wie heute.

Die Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs

Der Überrest von der Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher – eines mit 66 und das andere mit 85 Sonnenmassen– ist ein Schwarzes Loch mit 142 Sonnenmassen. Das ist schwerer als alle zuvor von LIGO und Virgo beobachteten Schwarzen Löcher und ist zudem die erste direkte Beobachtung der Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs. Diese bisher postulierte und zuvor nur indirekt beobachtete Klasse Schwarzer Löcher zeichnet sich durch ihre Massen im Bereich von 100- bis 100.000-mal der unserer Sonne aus. Sie sind massereicher als die bekannten leichteren Schwarzen Löcher mit Sternmassen und weniger massereich als die schwereren extrem massereichen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien.

Numerische Simulation von zwei Schwarzen Löchern, die sich umrunden, aufeinanderzufallen und verschmelzen und dabei Gravitationswellen abstrahlen. Die Schwarzen Löcher haben große und nahezu gleiche Massen, wobei eines nur 3% massereicher ist als das andere. Das simulierte Gravitationswellensignal stimmt mit der Beobachtung überein, die von den Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo am 21. Mai 2019 gemacht wurde (GW190521). Bild vergrößern
Numerische Simulation von zwei Schwarzen Löchern, die sich umrunden, aufeinanderzufallen und verschmelzen und dabei Gravitationswellen abstrahlen. Die Schwarzen Löcher haben große und nahezu gleiche Massen, wobei eines nur 3% massereicher ist als das andere. Das simulierte Gravitationswellensignal stimmt mit der Beobachtung überein, die von den Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo am 21. Mai 2019 gemacht wurde (GW190521). [weniger]

Ein Schwarzes Loch, das es nicht geben sollte

Noch erstaunlicher ist das schwerere Schwarze Loch in diesem Paar: Seine Masse vom 85-fachen der unserer Sonne passt nicht zu den Modellen der Sternentwicklung.

„Nach unserem Verständnis davon, wie Sterne altern und sich entwickeln, erwarten wir, dass wir Schwarze Löcher mit entweder weniger als 65 Sonnenmassen oder mehr als 120 Sonnenmassen finden, aber keine dazwischen“, erklärt Frank Ohme, Leiter einer Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. „Das Schwarze Loch mit 85 Sonnenmassen im Ursprungssystem von GW190521 fällt genau in diese Lücke, wo es nicht sein sollte! Das kann zwei Dinge bedeuten: Unser Verständnis der Sternentwicklung ist unvollständig oder hier hat sich etwas anderes ereignet.“

Eine Lücke in der Massenverteilung Schwarzer Löcher

Nach heutigem Verständnis explodieren die Sterne, aus denen Schwarze Löcher mit Massen zwischen 65 und 120 Sonnenmassen entstehen würden, nicht als Supernovae, und daher entstehen auch keine solchen Schwarzen Löcher. Vielmehr erleben die Sterne eine oder mehrere kurze instabile Episoden, in denen sie jeweils einen signifikanten Anteil ihrer Masse abstoßen, anstatt vollständig zu explodieren. Am Ende dieses Prozesses bleibt ein Stern zurück, der in einer Supernova explodiert und ein Schwarzes Loch mit weniger als 65 Sonnenmassen erzeugt. Sterne, die Schwarze Löcher mit mehr als 120 Sonnenmassen bilden würden, sollten direkt ohne das begleitende Feuerwerk einer Supernova kollabieren.

Die entstehende Lücke im Massenspektrum Schwarzer Löcher wird als „Paarinstabilitätslücke“ bezeichnet. Sie ist nach dem physikalischen Prozess benannt, der die Episoden des Massenauswurfs verursacht.

Eine Verschmelzung von zuvor verschmolzenen Schwarzen Löchern oder Sternen

Das Doppelsystem könnte eine komplexere Entstehungsgeschichte gehabt haben. Es gibt Unsicherheiten im Verständnis der Sternentwicklung. So könnten möglicherweise doch Schwarze Löcher mit mehr als 65 Sonnenmassen aus Supernova-Explosionen entstehen. Die LIGO- und Virgo-Forscher*innen sind jedoch der Meinung, dass die wahrscheinlichste Erklärung für die Entstehung des Objekts mit 85 Sonnenmassen eine frühere Verschmelzung von zwei kleineren Schwarzen Löchern oder von zwei massereichen Sternen ist.

Etwas völlig anderes?

Auch wenn sich das Signal nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie gut als Verschmelzung Schwarzer Löcher beschreiben lässt, untersuchten die LIGO- und Virgo-Wissenschaftler*innen in einer Begleitveröffentlichung auch andere mögliche Erklärungen für ihre Beobachtung. Dass es von kosmischen Strings – hypothetischen Objekten, die sich im frühen Universum gebildet haben könnten – stammt, scheint unwahrscheinlich. Es ist ebenso unwahrscheinlich, dass das Signal von einer Kernkollaps-Supernova stammt, bei der auch elektromagnetische Strahlung oder Neutrinos auftreten müssten.

GW190521 könnte auch von einer Verschmelzung weniger massereicher Schwarzer Löcher in geringerer Entfernung zur Erde stammen, deren Gravitationswellen durch eine Gravitationslinse verzerrt wurden. Sie könnte auch von primordialen Schwarzen Löchern stammen, die sich im frühen Universum noch vor den ersten Sternen bildeten. LIGO- und Virgo-Forscher*innen haben jedoch ermittelt, dass diese beiden Erklärungen im Vergleich zum normalen Verschmelzungsszenario sehr unwahrscheinlich sind. Schließlich könnte das Signal durch eine Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern auf elliptischen Bahnen entstanden sein. Um dies zu überprüfen, müssen jedoch genaue Signalmodelle einschließlich der aus der Allgemeinen Relativitätstheorie abgeleiteten Einflüsse von elliptischen Bahnen auf die Wellenformen mit dem Signal verglichen werden. Doch noch gibt es diese Modelle nicht.

Eine neue Klasse von Doppelsystemen Schwarzer Löcher?

„Wir wissen noch nicht, ob GW190521, diese überraschende Entdeckung und erste Beobachtung eines mittelschweren Schwarzen Lochs, den Vertreter einer völlig neuen Klasse von Doppelsystemen Schwarzer Löcher darstellt oder nur das massereiche Ende des Spektrums, das wir bisher gesehen haben“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Bald, wenn wir alle Verschmelzungen Schwarzer Löcher analysiert haben, die LIGO und Virgo in ihrem dritten Beobachtungslauf beobachtet haben, wissen wir hoffentlich mehr.“

Eine zukünftige Veröffentlichung wird die Verschmelzungen Schwarzer Löcher analysieren, die in der ersten Hälfte von O3 (O3a vom 1. April bis 1. Oktober 2019) beobachtet wurden.

AEI-Forscher*innen trugen zum Nachweis und zur Analyse von GW190521 bei. Sie haben genaue Modelle der Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern geliefert, die erstmals die Präzession der Spins der Schwarzen Löcher und Multipolmomente jenseits des dominanten Quadrupols beinhalten. Diese in die Wellenform eingeprägten Merkmale sind entscheidend, um einzigartige Informationen über die Eigenschaften der Quelle zu erhalten. Der Hochleistungs-Computercluster „Hypatia“ am AEI Potsdam wurde zur Entwicklung der für die Analysen verwendeten Wellenformmodelle eingesetzt.

Mehr als 50 weitere Gravitationswellen-Kandidaten aus O3

Die LIGO- und Virgo-Forscher*innen haben Beobachtungshinweise für 56 mögliche Gravitationswellen-Ereignisse (sogenannte Kandidaten) während O3, der vom 1. April 2019 bis zum 27. März 2020 dauerte, veröffentlicht. Bislang wurden vier Kandidaten bestätigt und publiziert. LIGO- und Virgo-Wissenschaftler*innen prüfen die verbleibenden 52 Kandidaten und werden all diejenigen veröffentlichen, für die detaillierte Folgeanalysen ihren astrophysikalischen Ursprung bestätigen.


LIGO-Scientific- und Virgo-Kollaborationen

LIGO wird von der National Science Foundation (NSF) finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die LIGO konzipierten und das Projekt leiten. Finanzielle Unterstützung für das Advanced-LIGO-Projekt wurde hauptsächlich von der NSF geleistet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council-OzGrav) signifikante Verpflichtungen eingingen und Beiträge zum Projekt leisteten. Rund 1.300 Wissenschaftler*innen aus der ganzen Welt sind durch die LIGO-Scientific-Kollaboration, zu der auch die GEO-Kollaboration gehört, an der Unternehmung beteiligt. Eine Liste weiterer Partner gibt es unter https://my.ligo.org/census.php.

Die Virgo-Kollaboration besteht aus rund 550 Mitgliedern aus 106 Instituten in 12 verschiedenen Ländern, darunter Belgien, Frankreich, Deutschland, Ungarn, Italien, die Niederlande, Polen und Spanien. Das European Gravitational Observatory (EGO) ist die Dacheinrichtung des Virgo-Detektors nahe Pisa in Italien und wird vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien und vom Nikhef in den Niederlanden finanziert. Eine Liste der Gruppen der Virgo-Kollaboration finden Sie unter http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Weitere Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter www.virgo-gw.eu.

 
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