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Astronomie: Tanzende schwarze Löcher als Quelle von Gravitationswellen?

Schwarze Löcher sind die Quelle der Gravitationswellen, aber auch Pulsare helfen bei der Entschlüsselung eines astronomischen Rätsels. Liefern Doppelsternsysteme mit supermassiven schwarzen Löchern die Antwort?



Mehrere Forschungsgruppen haben 15 Jahre lang Millisekunden-Pulsare in unserer Milchstraße beobachtet und unabhängig voneinander im Juni 2023 ihre Studienergebnisse veröffentlicht. Pulsare sind schnellrotierende Neutronensterne, die durch die Dehnung und Stauchung der Raumzeit langwellige Gravitationswellen beeinflussen.

Damit haben die Untersuchungen des North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (Nanograv; Nordamerikanisches Nanohertz-Observatorium für Gravitationswellen) ein "völlig neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum" geöffnet, erklärt Stephen Taylor in einer Pressemitteilung vom 8. August 2023. Er war an der Suche beteiligt und Mitautor der veröffentlichten Studie.

Doch das ist nicht das erste Mal, dass Gravitationswellen nachgewiesen wurden. Bereits 2015 konnten diese mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo; Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium) erfolgreich nachgewiesen werden. Die kurzwelligen Fluktuationen in der Raumzeit wurden durch die Verschmelzung kleinerer schwarzer Löcher oder gelegentlich auch Neutronensterne verursacht, die alle weniger als ein paar Hundert Sonnenmassen wiegen.

Das Brummen in der Raumzeit stammt nicht von kleinen Objekten

Was aber der Physiker Luke Zoltan Kelley (University of California, Berkeley) und sein Team fanden, ist ein Brummen, das wahrscheinlich von Hunderttausenden von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher erzeugt wird. Diese haben sich im Laufe der Geschichte des Universums so weit angenähert, dass sie miteinander verschmolzen sind. Und jedes von ihnen wiegt das Milliardenfache der Masse unserer Sonne.

Das Team erstellte Simulationen von binären Populationen supermassereicher schwarzer Löcher mit Milliarden von Quellen und verglich die vorhergesagten Gravitationswellensignaturen mit den jüngsten Beobachtungen von Nanograv.

Der Walzer der schwarzen Löcher

"Der orbitale Tanz der schwarzen Löcher vor der Verschmelzung versetzt die Raumzeit in Schwingung, ähnlich wie Walzertänzer eine Tanzfläche rhythmisch vibrieren", heißt es in der Pressemitteilung. Innerhalb der letzten 13,8 Milliarden Jahren (so alt ist unser Universum) sind durch solche Verschmelzungen Gravitationswellen entstanden. Diese überlagern sich heute "wie die Wellen einer Handvoll Kieselsteine, die in einen Teich geworfen werden und das Hintergrundsummen erzeugen".

Auch wenn dies alles auf supermassereiche schwarze Doppellöcher hindeutet, ist sich die Forschungsgruppe nicht zu 100 Prozent sicher, dass die Gravitationswellen von ihnen erzeugt wurden. "Wenn es sich um Doppelsterne handelt, dann ist dies das erste Mal, dass wir die Existenz von Doppelsternen supermassereicher schwarzer Löcher tatsächlich bestätigt haben, was seit mehr als 50 Jahren ein großes Rätsel ist", erklärt Kelley. Doppelsternsysteme mit supermassiven schwarzen Löchern senden wahrscheinlich einige Millionen Jahre lang Gravitationswellen aus, bevor sie verschmelzen.

Die Aussendung der Gravitationswellen nur kurz vor der Verschmelzung?

Die Wellen, die mit Nanograv nachgewiesen werden können, können jedoch nur ausgesendet werden, wenn sich die schwarzen verschmelzenden Löcher nahe beieinander befinden. Sie müssen etwa zehn- bis hundertmal so groß wie der Durchmesser unseres Sonnensystems sein, erörtert Kelley. Das ist etwa die 1.000- bis 10.000-fache Entfernung von unserer Erde und der Sonne (149,6 Milliarden Kilometer).

Doch es gibt laut dem Astronomen ein Problem: "Galaxienverschmelzungen bringen die beiden supermassereichen schwarzen Löcher auf etwa ein Kiloparsec zusammen – eine Entfernung von 3.200 Lichtjahren, was in etwa der Größe des Kerns einer Galaxie entspricht. Aber sie müssen auf fünf oder sechs Größenordnungen kleinere Abstände herunterkommen, bevor sie tatsächlich Gravitationswellen erzeugen können." Dennoch sind die Gravitationswellen vorhanden.

Pulsare geben die Antwort

Die Messung der Wellen war durch Millisekunden-Pulsare möglich – durch schnell rotierende Neutronensterne, die mehrere Hundert Mal pro Sekunde einen hellen Strahl von Radiowellen an der Erde vorbeiziehen lassen. Aus unbekannten Gründen ist ihre Pulsationsrate bis auf Zehntel Millisekunden genau.

Das Forschungsteam hat dafür 68 sich schnell drehende Neutronensterne (Pulsare) untersucht. Einige von ihnen werden seit 15 Jahren beobachtet und insgesamt gelangten 67 von ihnen in die Analyse. Diese Art von Aktivität ermöglicht es, die Pulsare in eine sehr präzise kosmische Uhr zu verwandeln, die Pulsar Timing Array genannt wird.

Wenn sich Gravitationswellen durch den Kosmos ausbreiten, bewirken sie, dass sich das Gewebe von Raum und Zeit (die Raumzeit) zusammenzieht und zusammenquetscht. Mit der Pulsar-Zeitmessung können diese Daten kombiniert werden. Dadurch lassen sich Gravitationswellen nachweisen.

Doch ihre Wellenlänge ist anders als die der durch schwarze Löcher beobachten Gravitationswellen, sie sind viel länger. Scott Ransom, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO), war an der Entdeckung beteiligt und vergleicht den Unterschied mit dem bekannten Phänomen der elektromagnetischen Frequenzen: "Wenn man es in Bezug auf das elektromagnetische Spektrum betrachtet, ist Nanograv wie Radioastronomie und Ligo wie Röntgenastronomie."

Mehr supermassive schwarze Löcher als angenommen?

Die von Ligo entdeckten Gravitationswellen haben eine Wellenlänge von Tausenden von Kilometern und eine Frequenz von Millisekunden bis Sekunden. Dagegen haben die von Nanograv entdeckten Gravitationswellen eine Wellenlänge im Bereich von Billionen von Kilometern. Dies entspricht etwa der Entfernung zwischen der Sonne und ihrem Nachbarstern Proxima Centauri, die sich auf 20 Lichtjahre beläuft. Außerdem zeigen die Wellenlängen der Nanograv-Gravitation Frequenzen auf der Skala von Jahren und nicht nur von Sekunden.


Die Konzeption dieses Künstlers zeigt zwei verschmelzende schwarze Löcher. Sie drehen sich nicht ausgerichtet, was bedeutet, dass sie im Verhältnis zur gesamten Umlaufbewegung des Paares unterschiedliche Ausrichtungen haben (Credits: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)).

Während bekannte supermassive schwarze Löcher maximal etwa 20 Milliarden Sonnenmassen erreichen, könnten viele der Löcher, die den Hintergrund bildeten, größer gewesen sein, vielleicht sogar 40 oder 60 Milliarden Sonnenmassen. Es könnte aber auch sein, dass es viel mehr Doppelsternsysteme mit supermassiven schwarzen Löchern gibt, als die Fachwelt annimmt.

"Wir brauchen also eine Kombination aus relativ massereichen supermassereichen schwarzen Löchern und einer sehr hohen Häufigkeit dieser schwarzen Löcher, und sie müssen wahrscheinlich in der Lage sein, recht effektiv zu verschmelzen", schlussfolgert Kelley. "Vielleicht sind die Massen auch nur 20 Prozent größer als wir dachten, aber sie verschmelzen auch doppelt so effektiv, oder eine Kombination von Parametern."

Möglicherweise stammen die Ursachen für die Hintergrund-Gravitationswellen auch von Axionen aus dunkler Materie, schwarze Löcher aus der Anfangszeit des Universums (primordiale schwarze Löcher) und kosmischen Strings. Zur Lösung braucht es noch mehr Forschung und laut Kelley fängt die Arbeit jetzt erst an.

Zur Studie

Die Studie wurde in der August-Ausgabe des Fachmagazins The Astrophysical Journal Letters publiziert: The Nanograv 15 yr Data Set: Constraints on Supermassive Black Hole Binaries from the Gravitational-wave Background (Der 15-Jahres-Datensatz von Nanograv: Einschränkungen für supermassive Schwarzloch-Binärdateien aus dem Gravitationswellen-Hintergrund).

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