Die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration entdeckt Verschmelzung von bisher schwersten Schwarzen Löchern
Gravitationswellen von massereichen Schwarzen Löchern stellen astrophysikalische Vorstellungen infrage
Auf den Punkt gebracht:
• Die beiden LIGO-Observatorien in den USA haben die Verschmelzung der bislang schwersten Schwarzen Löcher entdeckt, die man anhand ihrer Gravitationswellen beobachtet hat.
• Die Schwarzen Löcher haben die 100- bzw. 140-fachen Masse unserer Sonne. Damit lässt sich ihre Existenz nicht mit den gängigen Modellen der Sternentwicklung erklären.
• Am AEI entwickelte Modelle, die die komplexe Dynamik schnell rotierender Schwarzer Löcher berücksichtigen, kamen zum Einsatz um das Signal zu untersuchen und um astrophysikalische Informationen zu gewinnen.
Die LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration hat heute auf der GR24- und Amaldi16-Tagung in Glasgow (Großbritannien) die Entdeckung einer kosmischen Kollision bekannt gegeben. Beide LIGO-Observatorien in den USA haben Gravitationswellen von der Verschmelzung der massereichsten jemals beobachteten Schwarzen Löcher beobachtet. Das Signal mit der Bezeichnung GW231123 wurde während des vierten gemeinsamen Beobachtungslauf (engl. „fourth observing run“, O4) der LVK-Detektoren am 23. November 2023 empfangen.
„Verbotene“ Schwarze Löcher
Die beiden an der Verschmelzung beteiligten Schwarzen Löcher hatten etwa die 100- bzw. 140-fache Masse der Sonne. Schwarze Löcher dieser Massen sind nach gängigen Modellen der Sternentwicklung „verboten“. Eine mögliche Erklärung ist, dass die beiden Schwarzen Löcher in diesem Binärsystem durch frühere Verschmelzungen leichterer Schwarzer Löcher entstanden sind. Bei der nun beobachteten Verschmelzung entstand ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die mehr als das 225-Fache der Masse unserer Sonne beträgt.
Die beiden Schwarzen Löcher sind nicht nur sehr schwer, sie rotieren auch sehr schnell. Das macht die Interpretation des Signals zu einer besonderen Herausforderung und deutet auf eine komplizierte Entstehungsgeschichte hin. Bis heute wurden etwa 300 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern durch Gravitationswellen beobachtet, darunter auch die Signalkandidaten aus dem derzeitigen Beobachtungslauf O4. Das bisher massereichste bestätigte Doppelsystem Schwarzer Löcher war die Quelle von GW190521. Es hatte eine Gesamtmasse von „nur“ 140 Sonnenmassen.
Ein rekordverdächtiges System
Die hohe Masse und die extrem schnelle Rotation der Schwarzen Löcher von GW231123 bringen die Technologie für den Nachweis von Gravitationswellen und die derzeitigen theoretischen Modelle an ihre Grenzen. „Die Analyse dieses außergewöhnlichen Ereignisses ist eine Herausforderung. Wir müssen unsere Modelle verfeinern und zusätzliche physikalische Effekte einbeziehen, um ein tieferes Verständnis des Signals und seiner Entstehung zu erlangen“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) im Potsdam Science Park. Lorenzo Pompili, Doktorand am AEI Potsdam und Mitglied des Teams, das das Modell entwickelt hat, fügt hinzu: „Um genaue Informationen aus dem Signal zu gewinnen, haben wir Wellenformmodelle entwickelt, die die komplexe Dynamik schnell rotierender Schwarzer Löcher berücksichtigen.“
Die Grenzen der Gravitationswellen-Astronomie ausloten
Das Signal bringt die Detektoren und und die Datenanalyse an die Grenzen des derzeit Möglichen. „Obwohl GW231123 eines der stärksten Signale war, die wir bislang im aktuellen Beobachtungslauf nachgewiesen haben, war es ungewöhnlich schwierig, es genau zu messen, weil seine Quelle so komplex war“, sagt Héctor Estellés Estrella, Postdoktorand im Potsdamer AEI-Team, das das Wellenformmodell entwickelt hat. „Nach jahrelanger Arbeit zählt unser Modell zu den genauesten für Verschmelzungen sehr schnell rotierender Schwarzer Löcher. Dennoch überraschte GW231123 unser Modell. Doch diese Überraschung ist viel wert, denn sie zeigt uns, welche weiteren physikalischen Erkenntnisse wir hinzufügen und welche Präzision wir für künftige Entdeckungen anstreben müssen.“
Die Forschenden benötigen die genauen Modelle auch für zukünftige Messungen mit den vorhandenen und zukünftigen Detektoren.
„Dieses Ereignis erweitert die Grenzen der Gravitationswellen-Astronomie und davon, was wir mit unseren Instrumenten erreichen können. Deshalb wird es immer wichtiger, unsere Detektoren noch empfindlicher zu machen“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI in Hannover. „Am GEO600-Detektor in der Nähe von Hannover haben wir viele der Technologien entwickelt und getestet, die die derzeitigen Detektoren so präzise messen lassen.“
Die Gravitationswellen-Detektoren (LIGO in den Vereinigten Staaten, Virgo in Italien und KAGRA in Japan) haben im Mai 2023 ihren vierten gemeinsamen Beobachtungslauf begonnen und werden bis zum 18. November 2025 weiter beobachten. „Im Rahmen der LVK-Kollaboration sind wir derzeit dabei, unsere Analyse der Signale abzuschließen, die wir in der ersten Hälfte des Beobachtungslauf gefunden haben, die im Januar 2024 endete“, erklärt Frank Ohme, der eine unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover leitet. „Wir freuen uns darauf, die Ergebnisse im Laufe dieses Sommers zu veröffentlichen.“
Die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration
LIGO wird von der NSF finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die das Projekt konzipiert und aufgebaut haben. Die finanzielle Unterstützung für das Advanced LIGO-Projekt wurde von der NSF geleitet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council) bedeutende Verpflichtungen und Beiträge zu dem Projekt geleistet haben. Mehr als 1.600 Forschende aus der ganzen Welt sind über die LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO Collaboration gehört, an dem Projekt beteiligt. Weitere Partner sind unter https://my.ligo.org/census.php aufgeführt.
Die Virgo Collaboration besteht derzeit aus etwa 880 Mitgliedern aus 152 Institutionen in 17 verschiedenen (hauptsächlich europäischen) Ländern. Das Europäische Gravitationsobservatorium (EGO) ist die Dachorganisation für den Virgo-Detektor in der Nähe von 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 dem National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) in den Niederlanden finanziert. Eine Liste der Gruppen der Virgo Collaboration finden Sie unter: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. Weitere Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA ist das Laserinterferometer mit 3 km Armlänge in Kamioka, Gifu, Japan. Das verantwortliche Institut ist das Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) der Universität Tokio, und das Projekt wird vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) mitbetreut. Die KAGRA-Kollaboration besteht aus über 400 Mitgliedern aus 128 Instituten in 17 Ländern/Regionen. Die Informationen von KAGRA für ein allgemeines Publikum finden Sie auf der Website https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Ressourcen für Forscher sind über http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA zugänglich.
