Bislang klarstes Gravitationswellen-Signal stellt Einsteins Relativitätstheorie auf die Probe
Ein internationales Team hat mit wesentlichen Beiträgen von AEI-Forschenden erstmals drei Gravitationswellen-Töne im Signal GW250114 identifiziert und die bislang präzisesten Tests der Relativitätstheorie durchgeführt.
Auf den Punkt gebracht:
- Relativitätstheorie auf dem Prüfstand: Ein Team der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration hat einige der bislang präzisesten Tests von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie durchgeführt. Die Ergebnisse wurden heute in Physical Review Letters veröffentlicht.
- Einstein bleibt unangefochten: Bei allen Tests stimmen die Beobachtungen mit den Vorhersagen der Theorie überein. Einige der Tests, die allein auf diesem einen Signal basieren, sind zwei- bis dreimal genauer als solche, für die Daten Dutzender anderer Signale kombiniert wurden.
- Das klarste Signal: Das Team verwendete Daten von GW250114, dem bislang stärksten, beobachteten Gravitationswellen-Signal von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher.
- Wie eine Glocke: Erstmals haben Untersuchungen des gesamten Signals und der Abkling-Phase kurz nach der Verschmelzung drei Gravitationswellen-Töne identifiziert oder deren Eigenschaften eingegrenzt.
Relativität auf dem Prüfstand
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.“
Physical Review Letters hat heute eine weitere Analyse der GW250114-Daten veröffentlicht. Zu den Autor*innen des Artikels gehören mehrere AEI-Mitglieder: Alessandra Buonanno, die das Publikationsteam leitete, sowie Lorenzo Pompili, Elisa Maggio und Elise Sänger, die mehrere der in der Veröffentlichung beschriebenen Analysen durchgeführt haben.
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.
Wie eine läutende Glocke
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.“
Erstmals ein Gravitationswellen-Dreiklang
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.
Ein Signal schlägt Dutzende andere
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.
Das ist erst der Anfang
„Diese Ergebnisse zeigen den großen wissenschaftlichen Wert präziser Wellenformmodelle und ausgefeilter Methoden zur Datenanalyse“, sagt Alessandra 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.“