Wie sich mit stellaren Schwarzen Löchern supermassereiche Exemplare nachweisen
lassen
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Zürich astronews.com
8. August 2024
Wie könnte man Gravitationswellen von Paaren
supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien nachweisen? Ein
internationales Forschungsteam schlägt dazu nun eine neuartige Methode vor: Die
Analyse von Gravitationswellen masseärmerer nahegelegener Schwarzer Löcher. Dazu
würde man allerdings geeignete Detektoren benötigen.
Wenn ein
supermassereiches Schwarzes Loch ein anderes
massereiches Schwarzes Loch verschlingt,
entstehen Gravitationswellen, die sich als kleine
Erschütterungen in der Raumzeit durch das
Universum bewegen - wie in dieser Simulation.
Bild: NASA Goddard
Space Flight Center / Scott Noble,
Simulationsdaten: d'Ascoli et al. 2018 [Großansicht] |
Der Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien
ist eines der größten Rätsel der Astronomie. Diese Objekte könnten entweder
bereits früh im Universum mit großer Masse entstanden oder im Laufe der Zeit
durch das Ansammeln von Materie und durch die Verschmelzung mit anderen
Schwarzen Löchern gewachsen sein. Wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch ein
anderes massereiches Schwarzes Loch verschlingt, entstehen Gravitationswellen,
die sich als kleine Erschütterungen in der Raumzeit durch das Universum bewegen.
Vor knapp zehn Jahren gelang Astrophysikerinnen und Astrophysikern zum ersten
Mal der direkte Nachweis von Gravitationswellen, welcher der Astronomie ein
neues Fenster ins Universum öffnete. Bisher konnten diese Gravitationswellen
jedoch nur von relativ kleinen Schwarzen Löchern gemessen werden, die Überreste
sterbender Sterne sind und somit das Endstadium massereicher Sterne darstellen.
Das Erkennen der Signale von Paaren weitaus massereicherer Schwarzer Löcher ist
mit heutiger Technologie nicht möglich, da die Detektoren nicht empfindlich
genug auf die extrem niedrigen Frequenzen dieser Gravitationswellen reagieren.
Zukünftige Missionen wie die von der ESA geleitete LISA (Laser Interferometer
Space Antenna) sollen dies ändern. Dennoch bleibt die Detektion der
massereichsten Schwarzen-Loch-Paare eine große Herausforderung.
Ein internationales Forschungsteam schlägt nun eine neuartige Methode vor, um
Paare der größten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien zu entdecken.
Diese Methode nutzt die Analyse von Gravitationswellen kleiner nahegelegener
Schwarzer Löcher, welche die Überreste sterbender Sterne sind. Diese neue
Beobachtungstechnik erfordert einen Gravitationswellendetektor im Dezihertz-Bereich
und könnte das Studium supermassereicher Schwarzer Löcher ermöglichen, die
ansonsten unentdeckt bleiben würden.
"Unsere Idee funktioniert im Grunde wie das Hören eines Radiosenders. Wir
schlagen vor, das Signal von Paaren kleiner Schwarzer Löcher ähnlich wie
Radiowellen zu nutzen. Die supermassereichen Schwarzen Löcher verhalten sich
dabei ähnlich wie die Radiomusik, die in Form einer Frequenzmodulation (FM) des
empfangenen Signals übertragen wird", erklärt Jakob Stegmann, der die jetzt
vorgestellte Studie als Gaststudent an der Universität Zürich begann und als
Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik fortführte. "Das Neue an
dieser Idee ist, hohe Frequenzen zu nutzen, die leicht zu erkennen sind, um
niedrigere Frequenzen zu messen, die unsere Instrumente eigentlich nicht
detektieren können."
Aktuelle Beobachtungen sprechen für die Existenz von verschmelzenden
supermassereichen Schwarzen-Loch-Paaren. Diese Hinweise sind jedoch indirekt und
resultieren aus dem kollektiven Signal vieler entfernter Paare, die effektiv ein
Hintergrundrauschen erzeugen. Die vorgeschlagene Methode zur Detektion einzelner
supermassereicher Schwarzer-Loch-Paare nutzt die subtilen Veränderungen, die sie
in den von einem Paar nahegelegener kleiner Schwarzer Löcher emittierten
Gravitationswellen verursachen. Diese wirken somit als eine Art Leuchtfeuer, das
die Existenz der größeren Schwarzen Löcher anzeigen. Durch die Erkennung der
winzigen Modulationen in den Signalen der kleinen Schwarzen Löcher könnten
Wissenschaftler selbst über große Entfernungen hinweg bisher verborgene Paare
supermassereicher Schwarzer Löcher mit Massen von 10 Millionen bis 100 Millionen
Sonnenmassen identifizieren.
"Da der Weg für LISA nun feststeht, nachdem die ESA die Mission im letzten
Januar bestätigt hat, muss die wissenschaftliche Gemeinschaft die beste
Strategie für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren ausloten,
insbesondere in welchem Frequenzbereich man sich konzentrieren sollte. Studien
wie diese liefern eine starke Motivation, ein Detektordesign im Dezihertz-Bereich
zu priorisieren", so Lucio Mayer, Theoretiker für Schwarze Löcher an der
Universität Zürich.
Die Ergebnisse wurden in einem Fachartikel veröffentlicht, der in der
Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.
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