Wenn Schwarze Löcher kollidieren

Zum ersten Mal sagen Computersimulationen des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik voraus, was Astronom*innen mit Gravitationswellenteleskopen bei der Kollision zweier Schwarzer Löcher "sehen" werden.

17. September 2001
Visualization showing the emission of gravitational waves following the merger of two black holes with a combined mass of 35 solar masses. The gravitational wave, which propagates at the speed of light, has the structure of convoluted spherical shells. Of the cubic region of space simulated, only the lower half is shown; this way, the spiral structure of the gravitational waves in the central plane is clearly visible. The gravitational wave data was obtained in the course of the Lazarus project. In this project, the results of a three-dimensional numerical simulation of a black-hole merger were used as initial data for a calculation involving a suitable approximation method. In this way, the researchers were able to follow the evolution of the merger for a far longer time than with a three-dimensional simulation alone – such simulations tend to become unstable and break down as the strong gravitational attraction behind the black hole horizon asserts itself.

Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher ist eines der merkwürdigsten Ereignisse, die in der modernen Astronomie erwartet werden. Jetzt haben Physiker*innen mit den größten Computern der Welt den Astronomen gezeigt, worauf sie achten müssen. Damit rücken die ersten Beobachtungen dieser Ereignisse viel näher.

In einem Beitrag, der am 17. September 2001 in Physical Review Letters erscheinen soll, hat ein Team junger Forschender am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut in Golm bei Potsdam und Berlin) die Gravitationswellen vorhergesagt, die entstehen sollten, wenn Schwarze Löcher aufeinander zu stürzen und miteinander verschmelzen. Das Team besteht aus John Baker (jetzt im Goddard Space Flight Center der NASA in den USA), Bernd Brügmann, Manuela Campanelli, Carlos Lousto und Ryoji Takahashi. Sie nennen sich selbst das Lazarus-Team.

Das wichtigste Ergebnis der Lazarus-Simulationen ist es, den Gravitationswellenastronom*innen einen Satz von Schablonen an die Hand zu geben, mit denen sie die Signale im Rauschen am Ausgang ihrer Detektoren erkennen können. Die Lazarus-Simulationen machen Vorhersagen, die detaillierter und zuverlässiger sind als alle bisherigen. Die Lazarus-Wissenschaftler*innen erwarten, dass die Gravitationswellen stärker sein werden als bisherige Schätzungen.

Bernard Schutz, einer der Direktoren des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, stellt fest: "Der Erfolg des Lazarus-Projekts am AEI kommt genau zum richtigen Zeitpunkt. Verschmelzungen schwarzer Löcher könnten die allerersten Entdeckungen liefern - ein Meilenstein für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Numerisch berechnete Gravitationswellenformen werden uns nicht nur dabei helfen, Wellen aus diesen Ereignissen zu messen, sondern sie werden uns auch dabei helfen, aus den Beobachtungen die Massen der Schwarzen Löcher und ihre Entfernung von uns abzuleiten. Verschmelzungen von Schwarzen Löchern senden kein Licht, keine Radiowellen oder Röntgenstrahlen aus. Wir können sie nur aufspüren, indem wir ihre Gravitationswellen auffangen".

Bisherige Simulationen waren nicht in der Lage, den Schwarzen Löchern während des gesamten Verschmelzungsprozesses zu folgen. Tief im Inneren eines Schwarzen Lochs lauert eine "Singularität", ein Ort, an dem die Schwerkraft riesig wird. Computersimulationen hatten Schwierigkeiten, die Wellen außerhalb des Lochs zur gleichen Zeit wie das Innere zu modellieren.

Der entscheidende Durchbruch des Lazarus-Teams am AEI kam, als es zwei Ansätze kombinierte, nämlich die vollständige numerische Simulation für die Kollision, die sich im Wesentlichen im Regime starker Gravitationsfelder abspielt, und eine Annäherungsmethode, die Störungstheorie, zur Berechnung der Strahlung aus dem resultierenden verzerrten einzelnen Schwarzen Loch. Sie beendeten die  Simulation, bevor sie zusammenbrach, und verwendeten dann eine andere Methode, die nur die Gravitationswellen außerhalb des verschmolzenen Schwarzen Lochs berücksichtigte. Die Computer mussten diese Strahlung erneut berechnen, aber so konnten die Probleme vermieden werden, die durch den Blick ins Innere der Schwarzen Löcher verursacht werden.

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