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GRAVITAIONSWELLEN
Frühes Signal von kollidierenden Galaxien
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Zürich
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6. September 2016

Kollidieren zwei Galaxien, entstehen durch die Verschmelzung der zentralen Schwarzen Löcher Gravitationswellen, die sich durch das ganze Weltall ausbreiten. Mit einer aufwendigen Simulation berechnete ein internationales Forscherteam nun, wann diese Wellen während einer Verschmelzung abgestrahlt werden. Das Ergebnis: deutlich schneller, als bislang gedacht.

Simulation

Die Bilder zeigen das Verschmelzen von zwei Galaxien in einer Simulation (Ausschnitt). Die roten und blauen Punkte bezeichnen die beiden Schwarzen Löcher.  Bild: Astrophysical Journal [Gesamtansicht]

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie hatte Albert Einstein vor hundert Jahren die Gravitationswellen vorhergesagt, im vergangenen Jahr wurden sie erstmals direkt nachgewiesen: Das amerikanische Gravitationswellen-Observatorium LIGO zeichnete von der Erde aus solche Krümmungen im Weltall auf, die durch das Verschmelzen von zwei massereichen Schwarzen Löchern entstanden waren.

Die Erforschung der Gravitationswellen – und damit auch des Ursprungs des Universums – geht weiter: Ab 2034 sollen unter Leitung der Europäischen Weltraumorganisation ESA drei Satelliten ins All geschossen werden, um vom Weltall aus mit der Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) Gravitationswellen in noch tieferen Frequenzbereichen messen zu können. Bislang konnte jedoch nicht schlüssig vorausgesagt werden, zu welchem Zeitpunkt beim Verschmelzen von Galaxien Gravitationswellen ausgelöst werden und sich über den gesamten Weltraum verbreiten.

Zum ersten Mal hat dies nun ein internationales Team von Astrophysikern der Universität Zürich, vom Institute of Space Technology Islamabad, der Universität Heidelberg und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften anhand einer umfangreichen Simulation berechnet.

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Jede Galaxie besitzt in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch, das eine Masse von Millionen oder gar Milliarden Sonnen aufweisen kann. In einer realistischen Nachbildung des Universums wurde das Verschmelzen zweier, etwa drei Milliarden Jahre junger Galaxien simuliert, die relativ eng beieinander lagen. Mithilfe von Supercomputern berechneten die Wissenschaftler die Zeit, die die zwei zentralen Schwarzen Löcher mit etwa 100 Millionen Sonnenmassen brauchen, um nach der Kollision der Galaxien starke Gravitationswellen auszusenden.

"Das Ergebnis ist überraschend: Das Verschmelzen der beiden Schwarzen Löcher löste bereits nach etwa zehn Millionen Jahren die ersten Gravitationswellen aus - etwa 100-mal schneller als bisher angenommen", erklärt Lucio Mayer, vom Institut für Computerwissenschaft der Universität Zürich.

Die über ein Jahr andauernden Computersimulationen wurden in China, Zürich und Heidelberg durchgeführt. Das Projekt erforderte einen innovativen Berechnungsansatz mit verschiedenen numerischen Codes auf unterschiedlichen Supercomputern. Jedem Supercomputer oblag dabei die Berechnung einer bestimmten Phase der orbitalen Annäherung der beiden massereichen Schwarzen Löcher und ihrer Muttergalaxien.

Gegenüber bisherigen Modellen wurde in der jetzt vorgestellten Simulation die Beziehung zwischen den Umlaufbahnen der zentralen Schwarzen Löcher und der Art der Muttergalaxien berücksichtigt. "Unsere Berechnungen erlauben daher eine robuste Prognose für die Verschmelzungsrate von supermassiven Schwarzen Löchern in der Frühzeit des Universums. Sie können dazu beitragen, die Gravitationswellen, die eLISA in naher Zukunft wohl finden wird, besser einschätzen zu können", so Mayer.

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Artikel, der in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal erschienen ist. 

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siehe auch
Gravitationswellen: Die Ära der Gravitationswellen-Astronomie - 6. Juli 2016
LIGO: Zweites Gravitationswellen-Signal entdeckt - 16. Juni 2016
LIGO: Erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen - 11. Februar 2016
Links im WWW
Preprint des Fachartikels in arXiv.org
Universität Zürich
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