Über das Bremsverhalten von Schwarzen Löchern

Mit einem "Anti-Kick" erklären Forscher, weshalb sich die Geschwindigkeit nach der Kollision solcher Objekte plötzlich verringert

2. Juni 2010

Gekickt wird nicht nur im Fußball: Wenn etwa Schwarze Löcher einander so nahe kommen, dass sie zusammenstoßen und verschmelzen, dann erfährt das resultierende Schwarze Loch einen Rückstoß und schießt mit einer Geschwindigkeit von bis zu einigen tausend Kilometern pro Sekunde weiter durchs All. Manchmal aber verringert sich das Tempo plötzlich - ein Verhalten, für das es bisher keine Erklärung gab. Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik das Rätsel gelöst: Es handelt sich um eine Art Rückstoß in die entgegengesetzte Richtung, der die Gesamtgeschwindigkeit herabsetzt. In diesem "Anti-Kick" strahlt das Schwarze Loch Gravitationswellen ab und erreicht so seine energetisch optimale Form: die Kugel.

Von außen betrachtet, ist ein Schwarzes Loch kein fassbares Objekt, sondern eine Raumregion, die mit großer Kraft Materie aus der Umgebung anzieht. Die Grenze zwischen dieser Region und dem restlichen Weltall heißt Horizont. Im einfachsten Fall ist er wie eine Kugeloberfläche geformt, die im Raum schwebt. Was von außen durch diese Oberfläche tritt, kann sie nicht mehr verlassen. Nicht einmal Licht vermag einer solchen Schwerkraftfalle zu entkommen - daher der Name. Schwarze Löcher gelten als wichtige Bausteine von Modellen, mit denen Astrophysiker die Entwicklung der Sterne oder die Aktivitäten im Innern von Galaxienkernen erklären.

Gekicke im Weltraum: Forscher haben am Computer die Kollision von Schwarzen Löchern nachgestellt (1). Dabei zeigte sich, dass das neu entstandene Schwarze Loch zunächst deformiert ist (2). Um diese Asymmetrie auszugleichen und die energetisch günstigere Kugelform zu erreichen, wird mehr Impuls nach oben abgegeben: Dieser "Anti-Kick" bremst das Schwarze Loch etwas ab - es bewegt sich jetzt mit verringerter Geschwindigkeit weiter (3).

Luciano Rezzolla, Leiter der Gruppe Numerische Relativitätstheorie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein Institut, AEI), sowie seine Kollegen Rodrigo Macedo und José Luis Jaramillo haben in ihrer Arbeit zunächst ein einfaches System untersucht. Darin bewegen sich ein kleineres und ein großes Schwarzes Loch linear aufeinander zu und stoßen frontal zusammen. Das kleinere Schwarze Loch bewegt sich schneller, hat einen Impuls nach unten und strahlt starke Gravitationswellen ab. Da jede Aktion auch eine Gegenreaktion erzeugt, bewegt sich das Gesamtsystem aber nach oben - das ist der "Kick" (Abbildung, links).

Das entstehende Schwarze Loch ist zunächst nicht vollkommen rund, sondern deformiert und hat im oberen Teil eine Art Beule (Abbildung, Mitte). Um diese Asymmetrie auszugleichen und die energetisch günstigere Kugelform zu erreichen, wird mehr Impuls nach oben abgegeben und zunächst werden auch mehr Gravitationswellen nach oben abgestrahlt: Dieser "Anti-Kick" bremst das resultierende Schwarze Loch etwas ab. Es bewegt sich also weiterhin nach oben, allerdings mit verringerter Geschwindigkeit (Abbildung, rechts).

"Dieses einfache Modell bringt uns im Verständnis der Kollision von Schwarzen Löchern einen großen Schritt weiter. In unserer Veröffentlichung bieten wir eine intuitive Erklärung für einen Prozess, dessen mathematische Behandlung extrem kompliziert ist", sagt Luciano Rezzolla. "In der Physik ist es wichtig, komplexe Phänomene zu verstehen und anschauliche Erklärungen zu liefern. Darin liegt die Bedeutung der Forschungsergebnisse von Rezzolla und seinem Team", ergänzt Bernard F. Schutz, Direktor der Abteilung Astrophysikalische Relativitätstheorie.

Gibt es beim Zusammenstoß Schwarzer Löcher einen starken Rückstoß, so hat das einen direkten Einfluss auf die Astrophysik: Denn je nachdem, wie mächtig der "Kick" ist, kann das Schwarze Loch auch aus der Galaxie herausfliegen. Auf diese Weise bestimmt die Stärke des Rückstoßes die Anzahl von Galaxien, die Schwarze Löcher enthalten. Die Erklärung des "Anti-Kicks" wiederum erlaubt es, die Physik in der Nähe eines solchen exotischen Objekts zu erforschen, indem man die Geometrie seines Horizonts untersucht. Außerdem könnte dieser Ansatz grundlegende Aspekte der physikalischen Natur von Schwarzen Löchern selbst erhellen.

Hintergrundinformationen

Schwarze Löcher
Je kompakter und massiver ein Objekt ist, umso stärker ist auch die Gravitationswirkung auf seine unmittelbare Umgebung. Schwarze Löcher waren zunächst nur eine theoretische Vorhersage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, eine exotische Konsequenz der Art und Weise, wie Einsteins Gravitation die Raumzeit verzerrt. Heute sind sie ein wichtiger Baustein der Modelle, mit denen Astrophysiker die Sternevolution oder die Aktivitäten im Inneren von Galaxienkernen erklären.

Von außen betrachtet ist ein Schwarzes Loch kein fassbares Objekt, sondern eine Raumregion, in die Materie zwar von außen hineinfallen, der aber nichts, was einmal hineingelangt ist, wieder entkommen kann. Grenze zwischen dieser Region und dem restlichen Weltall ist der so genannte Horizont. Im einfachsten Fall ist er wie eine Kugeloberfläche geformt, die im Raum schwebt. Was von außen durch diese Oberfläche tritt, kann sie nie mehr verlassen; das heißt auch: Von Schwarzen Löchern erreicht uns direkt kein Licht. 

Kosmische Kollisionen
Die Kollisionen astronomischer Objekte zählen zu den gewaltigsten Ereignissen im Weltraum. Die Arbeitsgruppe ‚Numerische Relativitätstheorie’ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik berechnet unter Leitung von Professor Rezzolla, wie solche Begegnungen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen ablaufen und welche unglaublichen Energien dabei freigesetzt werden. Aufgrund ihrer Kompaktheit und großen Masse sind Schwarze Löcher vielversprechende Quellen für Gravitationswellen.

 

Gravitationswellenastronomie
Wissenschaftler aus aller Welt warten derzeit gespannt auf die erste direkte Messung von Gravitationswellen. Mit Hilfe der dann beginnenden Gravitationswellenastronomie wird man viel über die noch unbekannten 96 % des Universums erfahren: Man wird zum ersten Mal ins Universum lauschen, es also in einem neuartigen Frequenzspektrum beobachten können. Neben einer hochpräzisen Detektortechnologie sowie theoretischer und experimenteller Grundlagenforschung auf zahlreichen Gebieten sind zwei Arbeitsgebiete von besonderer Bedeutung, um die Klänge des Universums hören und verstehen zu können: die Numerische Relativitätstheorie und die Datenanalyse.

  • Die Numerische Relativitätstheorie ist erforderlich, um die zu erwartenden Gravitationswellensignale präzise vorherzusagen.
  • Im Rahmen der Gravitationswellenforschung werden neue Methoden zur Datenanalyse entwickelt, um die winzigen Gravitationswellensignale aus großen Datenmengen heraus zu filtern.

In der Abteilung "Astrophysikalische Relativitätstheorie" von Professor Bernard F. Schutz werden am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam-Golm beide Arbeitsgebiete in international führenden Arbeitsgruppen erforscht.

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