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Wunderbare Welt der Schwerkraft: Crash der Schwarzen Löcher

Drei Umlaufbahnen von Sternen, die sich gefährlich nahe an einem Schwarzen Loch befinden.APA/AFP/European Southern Observ
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Viermal sind die – unvorstellbar schwachen – Signale von Gravitationswellen bisher detektiert worden. Sie rühren von Kollisionen weit entfernter Schwarzer Löcher, sagen die Physiker – und wollen daraus Neues über deren Eigenschaften und Entstehung lernen.

Dreimal im Jahr 2015, einmal 2017: Erst viermal wurden himmlische Ereignisse registriert, die Physiker mit Sinn für Pathos unter „neue Astronomie“ führen. Diese verdankt sich zwei gigantischen Geräten, die Ligo heißen (von (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) aufgestellt sind und Gravitationswellen messen.

Das sind Wellen der Raumzeit selbst. Albert Einstein hat ihre Existenz 1916 vorausgesagt – als Konsequenz seiner allgemeinen Relativitätstheorie, laut der jede Masse (bzw. Energie) die Raumzeit verformt. Allerdings nur minimal, denn die Raumzeit ist, wie die Physiker sagen, recht steif. Darum registrierte Ligo erst am 14. 9. 2015 erstmals die aberwitzig winzige Veränderung des Abstands zweier Spiegel (weniger als der Durchmesser eine Protons!), die die Ligo-Physiker als Manifestation einer Gravitationswelle interpretierten. In die Öffentlichkeit gingen sie damit am 11. 2. 2016, das war dann eine Sensation, die wohl mit dem Physiknobelpreis des Jahres 2017 belohnt werden wird. Inzwischen sind drei weitere Gravitationswellen registriert worden. Was hat sie ausgelöst? Kosmische Ereignisse, an denen riesige Massen beteiligt waren, so viel leuchtet ein. Doch die Ligo-Physiker lesen aus ihren Daten Genaueres: Sie sehen alle vier Ereignisse als Zusammenstöße je zweier Schwarzer Löcher, wobei die Frequenz des gemessenen Signals proportional zur Frequenz ist, mit der die Schwarzen Löcher einander umkreisen, bis sie endgültig kollidieren.

 

Über eine Sonnenmasse zerstrahlt

Die vier bisher registrierten Fälle fanden weit draußen im All statt, längst nicht mehr in unserer Galaxie, vielmehr jeweils über eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt, also vor mehr als einer Milliarde Jahren. Bei der Verschmelzung der Paare wandelte sich jeweils eine Masse von mehr als einer Sonnenmasse in Energie um.

Wie konnten solche Paare Schwarzer Löcher entstehen, die einander so nahe kamen, dass sie schließlich ineinander stürzten? Dafür gibt es drei Szenarien. Entweder sie sind aus sehr schweren Sternen entstanden, die schon in ihrer Lebenszeit (also bevor sie zu Schwarzen Löchern wurden) miteinander in Kontakt standen. Solche Paare von Sternen sind viel häufiger als wir – deren Stern, die Sonne, ein Einzelgänger ist – glauben.
Oder die beiden Löcher (man verzeihe die saloppe Abkürzung) sind isoliert voneinander entstanden – in mit Sternen dicht besiedelten Regionen – und einander nur durch diverse Gravitationswechselwirkungen mit anderen Objekten nahe gekommen. Eine dritte Möglichkeit wäre, dass die beiden Löcher sich nicht aus Sternen gebildet haben, sondern schon in der Urzeit, im frühen Universum, als es noch gar keine Sterne gab.

„Schwarze Löcher haben keine Haare“, sagte John Archibald Wheeler, der Physiker, der diesen Monstern der Schwerkraft 1967 ihren Namen gegeben hatte. Er meinte: Man kann über ihr Inneres nichts sagen, man kann sie nur mit zwei Größen beschreiben: ihrer Masse und ihrem Spin, also ihrer Drehung um sich selbst. (Allenfalls kommt noch eine elektrische Ladung dazu.) Astronomen um Ilya Mandel (University of Birmingham) wollen nun aus den Ligo-Daten lesen, wie sich die Spins zweier kollidierender Löcher zueinander verhalten haben (Nature, 24. 8.). Wenn ihre Spins und die Bahn, mit der sie einander umlaufen, parallel sind – wie etwa die Spins von Erde und Mond – , spreche das für Sterne, die schon länger miteinander in Kontakt waren, also für das erste Szenario.

 

Fanden die Löcher einander erst spät?

Tatsächlich sollen die Daten eher gegen dieses Szenario sprechen, also dafür, dass die Löcher erst dann paarweise zusammenfanden, als sie schon solche waren. Für das dritte Szenario – die urzeitlichen Schwarzen Löcher – sind die Spins zu hoch, sagen die Physiker, sind aber sehr vorsichtig. „Dieses Gebiet steckt noch in den Kinderschuhen“, sagt Mandel: „Ich bin aber sicher, dass wir in naher Zukunft auf diese ersten Detektionen und rudimentären Modelle mit Nostalgie zurückblicken werden, und dass wir viel besser verstehen werden, wie sich solche binären Systeme bilden.“ In diesem Sinn warten die Spiegel in Hanford und Livingston auf weitere feinste Erschütterungen.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 24.08.2017)