⚫ Beobachtung von "Schwarzen Löchern der zweiten Generation"

Die Entdeckung zweier besonderer Verschmelzungen von Schwarzen Löchern im Abstand von nur einem Monat Ende 2024 verbessert unser Verständnis der Natur und Entwicklung der heftigsten Kollisionen im Universum. Einige Merkmale dieser Verschmelzungen deuten auf die Möglichkeit von "Schwarzen Löchern der zweiten Generation" hin, die das Ergebnis früherer Verschmelzungen wären, wahrscheinlich entstanden in sehr dichten und überfüllten kosmischen Umgebungen wie Sternhaufen, wo Schwarze Löcher sich eher treffen und wiederholt verschmelzen.

In einem neuen Artikel, veröffentlicht in The Astrophysical Journal Letters, kündigt die internationale LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration die Entdeckung von zwei Gravitationswellenereignissen im Oktober und November des vergangenen Jahres an, die ungewöhnliche Eigendrehungen (Spins) der Schwarzen Löcher aufweisen. Eine Beobachtung, die ein weiteres wichtiges Puzzleteil zu unserem Verständnis des schwer fassbarsten Phänomens des Universums liefert.



Gravitationswellen sind "Kräuselungen" der Raumzeit, die aus katastrophalen Ereignissen im tiefen Weltraum resultieren. Die stärksten Wellen werden durch Kollisionen von Schwarzen Löchern erzeugt. Mithilfe ausgefeilter Algorithmen und mathematischer Modelle können Forscher viele physikalische Eigenschaften der entdeckten Schwarzen Löcher aus der Analyse der Gravitationssignale rekonstruieren, wie etwa ihre Massen, die Entfernung des Ereignisses zur Erde oder auch die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Drehung um die eigene Achse, die als Spin bezeichnet wird.

Die erste der beiden im Artikel beschriebenen Verschmelzungen wurde am 11. Oktober 2024 (GW241011) entdeckt. Sie ereignete sich in etwa 700 Millionen Lichtjahren Entfernung und resultierte aus der Kollision zweier Schwarzer Löcher mit etwa der 17- und 7-fachen Masse der Sonne. Die Eigendrehung des größeren der Schwarzen Löcher in GW241011 ist eine der schnellsten, die jemals beobachtet wurde.

Fast einen Monat später, am 10. November 2024, wurde die zweite Verschmelzung namens GW241110 in etwa 2,4 Milliarden Lichtjahren Entfernung entdeckt und umfasste die Fusion von Schwarzen Löchern mit etwa der 16- und 8-fachen Masse der Sonne. Während sich die meisten beobachteten Schwarzen Löcher in die gleiche Richtung wie ihre Umlaufbahn drehen, wurde beim Haupt-Schwarzen Loch von GW241110 eine Drehung entgegen der Umlaufrichtung beobachtet – eine Premiere dieser Art.

"Jede neue Entdeckung liefert wichtige Informationen über das Universum und erinnert uns daran, dass jede beobachtete Verschmelzung sowohl eine astrophysikalische Entdeckung als auch ein unschätzbares Labor zum Studium der fundamentalen Naturgesetze ist", sagt Carl-Johan Haster, Mitautor des Artikels und forschender Dozent für Astrophysik an der University of Nevada, Las Vegas (UNLV). "Doppelsysteme wie diese waren aufgrund früherer Beobachtungen vorhergesagt worden, aber dies ist der erste direkte Nachweis ihrer Existenz."


Diese beiden Ereignisse scheinen darauf hinzudeuten, dass es sich um "Schwarze Löcher der zweiten Generation" handeln könnte. "Unter den Hunderten von Ereignissen, die das LIGO-Virgo-KAGRA-Netzwerk beobachtet hat, gehören GW241011 und GW241110 zu den innovativsten", sagt Stephen Fairhurst, forschender Dozent an der Cardiff University und Sprecher der LIGO-Wissenschaftskollaboration. "Die Tatsache, dass beide Ereignisse ein viel massereicheres Schwarzes Loch als das andere und einen schnellen Spin zeigen, deutet darauf hin, dass diese Schwarzen Löcher aus früheren Verschmelzungen von Schwarzen Löchern entstanden sind."

Die Wissenschaftler heben einige besondere Merkmale hervor, insbesondere den Größenunterschied zwischen den Schwarzen Löchern bei jeder Fusion – das größere war fast doppelt so groß wie das kleinere – und die Ausrichtung des Spins der größeren Schwarzen Löcher in jedem Ereignis. Eine natürliche Erklärung für diese Besonderheiten ist, dass die Schwarzen Löcher das Ergebnis früherer Verschmelzungen sind. Dieser als hierarchische Verschmelzung bekannte Prozess legt nahe, dass sich diese Systeme in dichten Umgebungen wie Sternhaufen gebildet haben, wo Schwarze Löcher mit größerer Wahrscheinlichkeit aufeinandertreffen und wiederholt verschmelzen.

"Diese Entdeckungen unterstreichen die außergewöhnlichen Fähigkeiten unserer weltweiten Gravitationswellenobservatorien", sagt Gianluca Gemme, Forscher am INFN und Sprecher der Virgo-Kollaboration. "Die in GW241011 und GW241110 beobachteten ungewöhnlichen Spin-Konfigurationen stellen nicht nur unser Verständnis der Entstehung Schwarzer Löcher in Frage, sondern liefern auch überzeugende Beweise für hierarchische Verschmelzungen in dichten kosmischen Umgebungen: Sie lehren uns, dass einige Schwarze Löcher nicht nur als isolierte Partner existieren, sondern wahrscheinlich auch als Mitglieder einer dichten, dynamischen Menge. Diese Entdeckungen unterstreichen die Bedeutung internationaler Zusammenarbeit, um die schwer fassbarsten und energiereichsten Phänomene des Universums zu enthüllen."

Die verborgenen Eigenschaften von Schwarzer-Loch-Verschmelzungen aufdecken

Gravitationswellen wurden erstmals von Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie 1916 vorhergesagt, aber ihre Präsenz – obwohl in den 1970er Jahren nachgewiesen – wurde von Wissenschaftlern erst vor nur 10 Jahren direkt beobachtet, als die wissenschaftlichen Kollaborationen LIGO und Virgo die Entdeckung der Wellen nach einer Schwarzer-Loch-Verschmelzung bekanntgaben.

Heute ist LIGO-Virgo-KAGRA ein weltweites Netzwerk fortschrittlicher Gravitationswellendetektoren, das sich dem Ende seiner vierten Beobachtungskampagne, O4, nähert. Die aktuelle Kampagne begann Ende Mai 2023 und soll bis Mitte November dieses Jahres fortgesetzt werden. Bis heute wurden etwa 300 Schwarze-Loch-Verschmelzungen durch Gravitationswellen beobachtet, einschließlich der Kandidaten, die in der laufenden Beobachtungskampagne identifiziert wurden und auf ihre endgültige Validierung warten.

Andererseits ermöglichte die Präzision, mit der GW241011 gemessen wurde, auch die Überprüfung einiger Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie unter extremen Bedingungen.

Tatsächlich kann dieses Ereignis mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie und der Lösung des Mathematikers Roy Kerr für rotierende Schwarze Löcher verglichen werden. Die schnelle Rotation des Schwarzen Lochs verformt es leicht und hinterlässt einen charakteristischen Abdruck in den emittierten Gravitationswellen. Durch die Analyse von GW241011 fand das Forschungsteam eine sehr gute Übereinstimmung mit der Kerr-Lösung und überprüfte erneut Einsteins Vorhersage mit beispielloser Präzision.

Darüber hinaus enthält das Gravitationswellensignal wegen der erheblichen Massenunterschiede der einzelnen Schwarzen Löcher das "Summen" einer höheren Harmonischen – ähnlich den Harmonischen von Musikinstrumenten – die nur zum dritten Mal mit GW241011 beobachtet wurde. Eine dieser Harmonischen wurde mit großer Klarheit beobachtet und bestätigt eine weitere Vorhersage von Einsteins Theorie.

"Diese Entdeckung bedeutet auch, dass wir empfindlicher als je zuvor für jede neue Physik sind, die sich jenseits von Einsteins Theorie befinden könnte", schließt Haster.

Fortgeschrittene Suche nach Elementarteilchen

Schnell rotierende Schwarze Löcher wie die in dieser Studie beobachteten haben nun einen neuen Nutzen in der Teilchenphysik. Wissenschaftler können sie nutzen, um die Existenz bestimmter hypothetischer Elementarteilchen zu testen.

Diese Teilchen, genannt ultra-leichte Bosonen, werden von einigen Theorien jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt, das alle bekannten Elementarteilchen beschreibt und klassifiziert. Wenn ultra-leichte Bosonen existieren, können sie Rotationsenergie aus Schwarzen Löchern extrahieren. Die Menge der extrahierten Energie und die Geschwindigkeit, mit der sich die Rotation der Schwarzen Löcher im Laufe der Zeit verlangsamt, würden daher von der Masse dieser Teilchen abhängen. Die Tatsache, dass das massereiche Schwarze Loch in GW241011 noch Millionen oder Milliarden Jahre nach seiner Entstehung schnell rotiert, schließt einen weiten Bereich möglicher Massen für ultra-leichte Bosonen aus.

"Die Entdeckung und Untersuchung dieser beiden Ereignisse zeigt, wie wichtig es ist, unsere Detektoren im Synergiebetrieb zu betreiben und danach zu streben, ihre Empfindlichkeit zu verbessern", sagt Francesco Pannarale, forschender Dozent an der Universität Rom und Ko-Vorsitzender der Beobachtungswissenschaftsabteilung der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration. "Die LIGO- und Virgo-Instrumente haben uns noch mehr darüber gelehrt, wie sich Doppelsysteme aus Schwarzen Löchern in unserem Universum bilden können, sowie über die fundamentale Physik, die sie regiert. Indem wir unsere Instrumente verbessern, werden wir in der Lage sein, tiefer in diese und andere Aspekte mit erhöhter Präzision einzutauchen."

Quelle: CNRS IN2P3