Die größten Crashs im Universum

Wissenschaftler des Albert-Einstein-Instituts haben Kollisionen von einander streifenden Schwarzen Löchern simuliert. Solche Ergebnisse werden letztlich die Suche nach Gravitationswellen verbessern.

6. September 1999

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Golm bei Potsdam simuliert, wie zwei Schwarze Löcher bei einer streifenden Kollision miteinander verschmelzen. Vollständig dreidimensionale Simulationen auf Supercomputern sind unerlässlich für den geplanten Nachweis von Gravitationswellen, die von zwei kollidierenden Schwarzen Löchern ausgesendet werden.

Schwarze Löcher sind so dicht, dass selbst Licht ihnen nicht entkommen kann. Deshalb ist es auch nicht einfach, sie zu entdecken. Aber in einigen Jahren hoffen die Wissenschaftler*innen, Fortschritte zu erzielen, indem sie ein neues Fenster ins All öffnen. Gravitationswellen, die im wahrsten Sinne des Wortes Wellen im Gewebe des Raums sind, sollten zu Beginn des nächsten Jahrhunderts mit neuen Instrumenten nachweisbar sein.

The simulation shows the apparent horizons – the boundary (at a given time of the evolution) separating the outside world from the inside of the black hole, from which no light can escape to the outside. The horizons can be seen as bubble-like surfaces in the center of the simulation; the different colours indicate surface patches of various curvature.

Am Albert-Einstein-Institut bereiten sich die Wissenschaftler*innen um Professor Ed Seidel mit numerischen Simulationen auf diese Suche vor. Die Simulationen können den Beobachtern zuverlässige Methoden zur Erkennung der von Schwarzen Löchern erzeugten Wellen liefern. "Kollidierende Schwarze Löcher sind einer der heißesten Kandidaten für Gravitationswellen", sagt Prof. Seidel. In den letzten Jahren ist es ihm und anderen gelungen, Gravitationswellenformen zu simulieren, die von Schwarzen Löchern und bei Frontalkollisionen erzeugt werden.

Aber Wechselwirkungen zwischen zwei sich drehenden Schwarzen Löchern, wenn sie sich spiralförmig umkreisen und verschmelzen, sind in der Astronomie viel häufiger und wichtiger als direkte Frontalzusammenstöße. Solche streifenden Kollisionen wurden von Dr. Bernd Brügmann vom Albert-Einstein-Institut zum ersten Mal berechnet. Aufgrund der begrenzten Computerleistung, die ihm zu dieser Zeit zur Verfügung stand, war er jedoch nicht in der Lage, entscheidende Details wie die genaue Signatur der ausgesandten Gravitationswellen zu berechnen. Diese Signatur enthält wichtige Informationen über die Natur der Schwarzen Löcher bei der Kollision. Brügmann hat die Ergebnisse kürzlich im International Journal of Modern Physics veröffentlicht (D8 /1999/p. 85-100).

Für die frühere Berechnung verwendete Brügmann einen leistungsfähigen Supercomputer vom Typ Origin 2000 am Institut. Er verfügt über 32 separate Computerprozessoren, die parallel arbeiten und 3 Milliarden Berechnungen pro Sekunde durchführen. Im Juni dieses Jahres verfügte jedoch ein internationales Team, zu dem Brügmann, Seidel und viele andere gehörten, im National Center for Supercomputing Applications (NCSA) an der University of Illinois virtuell über einen viel größeren Origin 2000-Computer mit 256 Prozessoren. Dem Team gehören auch Forscher der Washington University in St. Louis (USA) und des Konrad-Zuse-Zentrums in Berlin (Deutschland) an. Die Maschine diente dazu, die ersten detaillierten Simulationen von streifenden Kollisionen von Schwarzen Löchern mit ungleicher Masse und Spin zu liefern, die Brügmann zuvor untersucht hatte. Werner Benger am Konrad-Zuse-Zentrum war in der Lage, verblüffende Visualisierungen des Kollisionsprozesses zu erstellen. Sie zeigen, wie die "schwarzen Ungeheuer" von einer bis zu einigen hundert Millionen Sonnenmassen verschmelzen und dabei Gravitationswellenausbrüche erzeugen, die bald von speziellen Instrumenten entdeckt werden könnten.

Visualisation of two colliding black holes, now also shown with gravitational waves generated by the merger process, displayed in colors from white (maximum of intensity) to red.

In den letzten Momenten drehen sich die Schwarzen Löcher spiralförmig in immer engeren Kreisen umeinander und senden periodisch schwache Gravitationswellen aus. Der symmetrische Horizont jedes Objekts, aus dem selbst Licht nicht entweichen kann, wird gestreckt. In einer sehr kurzen Zeit von einigen Millisekunden oder weniger verschmelzen die beiden Horizonte wie Wassertropfen. Amplitude und Frequenz der Gravitationswellen nehmen stark zu. Was danach passiert, nannte der Wissenschaftler "Abklingphase" - ein abnehmendes Signal wie die letzten Töne einer Kirchenglocke. Die beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher bilden einen neuen gemeinsamen Horizont, der beim Abklingen schwingt und als Schwarzes Loch zur Ruhe kommt.

Eines der wichtigen Ergebnisse der Forschungsarbeit ist die sehr große Menge an Energie, die Schwarze Löcher in Form von Gravitationswellen ausstrahlen. Wenn sich zwei Objekte mit 10 und 15 Sonnenmassen über 50 Kilometer nähern und kollidieren, kann die Menge der Gravitationsenergie etwa ein Prozent ihrer Masse betragen. "Das ist tausendmal mehr als die Energie, die unsere Sonne in den letzten fünf Milliarden Jahren abgegeben hat", sagt Dr. Brügmann. Doch die meisten der größten Crashs im Universum, so der Wissenschaftler, ereignen sich weit von der Erde entfernt. Die Signale sollten extrem schwach sein, wenn sie hier ankommen. Es wird erwartet, dass sie den Raum zwischen zwei einen Kilometer voneinander entfernten Massen um nur ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons dehnen und zusammenstauchen würden!

Der Bau von mehreren Detektoren hat weltweit begonnen. Einer davon ist das deutsch-britische GEO600-Projekt, ein 600 Meter langes Laserinterferometer, gebaut in der Nähe von Hannover vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Universität Hannover. Die Wissenschaftler hoffen, den kurzen Durchgang von Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern messen zu können, aber sie erwarten bei einer Entfernung von etwa 600 Millionen Lichtjahren nur ein Ereignis pro Jahr. Die Computermodelle werden benötigt, um den Beobachtern zuverlässige Daten zur Erkennung der von den Schwarzen Löchern erzeugten Wellen zu liefern. Mit der Weiterentwicklung solcher Supercomputer-Simulationen stehen die Wissenschaftler*innen nun an der Schwelle zu einer neuen Art der Experimentalphysik. "Die Astronomen sagen uns jetzt, dass sie die Positionen von vielen Tausenden von Schwarzen Löchern kennen, aber wir können auf der Erde keine Experimente mit ihnen durchführen. Die einzige Möglichkeit, Details zu erfahren, besteht darin, numerische Ersatzlösungen dafür in unseren Computern zu bauen und zu beobachten, was sie tun", erklärt Prof. Bernard Schutz, Direktor am Albert-Einstein-Institut. "Ich glaube, dass die Erforschung Schwarzer Löcher ein Schlüsselthema der Astronomie im ersten Jahrzehnt des nächsten Jahrhunderts sein wird.

Eines der langfristigen Ziele ist es, die Wechselwirkungen zweier sich drehender Schwarzer Löcher zu simulieren, während sie Jahre vor der Kollision umeinander kreisen. Dies wird jedoch viel mehr Rechenzeit erfordern und erfordert neue Ideen, um die Gleichungen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu lösen.

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