Neue Methode könnte versteckte Paare extrem massereicher Schwarzer Löcher entdecken

Helle Blitze von abgelenktem Sternenlicht weisen den Weg

Auf den Punkt gebracht:

• Neue Methode: Forscher der Universität Oxford und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) im Wissenschaftspark Potsdam haben eine neue Methode vorgeschlagen, um Paare extrem massereicher Schwarzer Löcher mithilfe von Gravitationslinsen zu entdecken.
• Gravitationslinsen: Schwarze Löcher wirken wie natürliche Teleskope. Sie lenken Licht durch ihre Schwerkraft ab. Die resultierende Vergrößerung erzeugt helle Bilder von Sternen, die sich in derselben Galaxie hinter den Schwarzen Löchern befinden.
• Beobachtbare Signale: Während die Schwarzen Löcher einander umrunden, erzeugen sie wiederholt Blitze von abgelenktem Sternenlicht. Derzeitige und kommende Himmelsdurchmusterungen könnten diese Blitze in der Zukunft nachweisen. Das könnte Informationen über die Eigenschaften der Schwarzen Löcher liefern und völlig neue Untersuchungen ermöglichen.

Neue Methode

Paare extrem massereicher Schwarzer Löcher, die einander eng umrunden, entstehen, wenn Galaxien verschmelzen. Allerdings haben Astronom*innen solche Paare bislang nur weit voneinander entfernt beobachtet. In einem heute in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel schlagen Forscher ein neues Verfahren vor, um die bislang verborgenen Paare aufzuspüren. Demnach müssen Astronom*innen nach wiederholten Lichtblitzen einzelner Sterne suchen, die sich hinter den Schwarzen Löchern befinden und durch die Gravitationslinsenwirkung des Paares vorübergehend vergrößert werden.

Extrem massereiche Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien. Wenn zwei Galaxien zusammenstoßen und verschmelzen, bilden ihre zentralen Schwarzen Löcher schließlich ein Paar extrem massereicher Schwarzer Löcher, das durch die gegenseitige Schwerkraft aneinander gebunden ist. Diese Systeme spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien und zählen zu den stärksten Quellen von Gravitationswellen im Universum. Während zukünftige Gravitationswellen-Observatorien im All wie LISA solche Binärsysteme direkt beobachten können, zeigen die Forscher nun, dass möglicherweise bereits derzeitige und zukünftige Himmelsdurchmusterungen die Paare im elektromagnetischen Spektrum nachweisen können.

Gravitationslinsen

„Extrem massereiche Schwarze Löcher wirken wie natürliche Teleskope“, sagt Miguel Zumalacárregui vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. „Weil sie so schwer und kompakt sind lenken sie vorbeilaufendes Licht stark ab. Sie können Sternenlicht aus der Galaxie, in der sie sich befinden, zu außergewöhnlich hellen Bildern fokussieren. Dieser Effekt ist als Gravitationslinse bekannt.“

Bei einem einzelnen extrem massereichen Schwarzen Loch tritt ein extrem starker Linseneffekt nur auf, wenn ein Stern fast genau auf der Sichtlinie hinter dem Schwarzen Loch liegt. Zwei extrem massereiche Schwarze Löcher wirken wie zwei Linsen. Dadurch entsteht eine rautenförmige Struktur, die als Kaustik bezeichnet wird. Sterne auf der Kaustik können eine dramatische Vergrößerung erfahren.

„Die Wahrscheinlichkeit, dass Sternenlicht enorm verstärkt wird, ist bei einem Binärsystem sehr viel höher als bei einem einzelnen Schwarzen Loch“, erklärt Bence Kocsis vom Fachbereich Physik der Universität Oxford und Koautor der Studie.

Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass Paare Schwarzer Löcher dynamisch sind. Während sie einander unter dem Einfluss der Schwerkraft umrunden, verlieren sie langsam Energie, indem sie Gravitationswellen abstrahlen. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen den beiden Schwarzen Löchern mit der Zeit und ihre Umlaufbewegung beschleunigt sich allmählich.

„Wenn sich das Binärsystem bewegt, dreht sich die Kaustik und verändert ihre Form. Dabei überstreicht sie ein großes Volumen mit Sternen hinter den Schwarzen Löchern. Befindet sich ein heller Stern in diesem Bereich, kann er jedes Mal, wenn die Kaustik über ihn läuft, einen außergewöhnlich hellen Blitz erzeugen“, sagt Hanxi Wang, ein Doktorand in der Gruppe von Kocsis, der die Studie leitete. „Dies führt zu einem wiederholten Aufblitzen des Sternenlichts – der klare und unverwechselbare Fingerabdruck eines Paares extrem massereicher Schwarzer Löcher.“

Wertvolle Informationen aus beobachtbaren Signalen

Die Forscher zeigten, dass der Zeitpunkt und die Helligkeit dieses Aufblitzens wertvolle Informationen über das Binärsystem Schwarzer Löcher enthalten. Während sich die Schwarzen Löcher immer enger umlaufen, verändert die Abstrahlung von Gravitationswellen die Struktur der Kaustik und moduliert sowohl die Frequenz als auch die Helligkeit des Aufblitzens auf charakteristische Art und Weise. Astronom*innen könnten durch die Messung dieser Fingerabdrücke wichtige Eigenschaften des Binärsystems ableiten, darunter die Massen der Schwarzen Löcher und die Entwicklung ihrer Umlaufbahnen.

Die Forscher sind optimistisch, dass Astronom*innen solche sich wiederholenden Lichtblitze mit Himmelsdurchmusterungen – beispielsweise mit dem Vera C. Rubin Observatory und dem Nancy Grace Roman Space Telescope – innerhalb der nächsten Jahre beobachten können.

„Die Aussicht, einander umkreisende Paare extrem massereicher Schwarzer Löcher noch Jahre vor der Inbetriebnahme zukünftiger Gravitationswellen-Detektoren im Weltraum identifizieren zu können, ist äußerst spannend“, fasst Kocsis zusammen. „Dies öffnet die Tür zu echten Multi-Messenger-Studien von Schwarzen Löchern und ermöglicht es uns, die Gravitation und die Physik Schwarzer Löcher auf völlig neue Art und Weise zu untersuchen.“