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GRAVITATIONSWELLEN
Wie sich mit stellaren Schwarzen Löchern supermassereiche Exemplare nachweisen lassen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Zürich
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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.

Simulation

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.

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"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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siehe auch
Gravitationswellen: Grünes Licht von der ESA für LISA-Mission - 2. Februar 2024
Links im WWW
Stegmann, J. et al. (2024): Imprints of massive black-hole binaries on neighbouring decihertz gravitational-wave sources, Nat Astron, https://doi.org/10.1038/s41550-024-02338-0
Universität Zürich
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