Wenn das Schwarze Loch zweifach klingelt
Beobachtung mehrerer Töne nach einer Verschmelzung Schwarzer Löcher
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie trifft eindeutige Vorhersagen darüber was passiert, wenn zwei schwarze Löcher verschmelzen. Sie senden in drei Phasen Gravitationswellen aus, und zwar wenn sie sich umrunden und einander nähern, wenn sie verschmelzen und wenn das neu entstandene, zunächst asymmetrische schwarze Loch in seinen Endzustand übergeht. Die letzte Phase heißt „Ringdown“ (engl. für Abklingen) und besteht aus Schwingungen des schwarzen Lochs, die nur wenige Sekundenbruchteile andauern. Indem die Forschenden diesen Ringdown für einen besonderen Fall sehr genau untersuchten, waren sie in der Lage die im Signal versteckten Informationen über die Masse und die Rotation des entstandenen schwarzen Lochs zu extrahieren.
Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover hat starke Hinweise auf mehrere Frequenzen im Gravitationswellensignal gefunden, das vom Abklingen einer Verschmelzung schwarzer Löcher zeugt. Das Team entdeckte, dass das im Ereignis mit der Bezeichnung GW190521 entstandene mittelschwere schwarze Loch nach der Verschmelzung kurzzeitig bei mindestens zwei Frequenzen vibrierte. Dieser sogenannte Ringdown ist eine fundamentale Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie. Seine Beobachtung erlaubt Tests dieser Theorie und des No-Hair-Theorems für schwarze Löcher. Die Forschenden fanden keine Verletzungen das Theorems oder Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie. Bislang ging man davon aus, dass diese Beobachtung mehrerer Töne erst mit der nächsten Generation von Gravitationswellen-Detektoren möglich sein würde. Das unerwartet massereiche schwarze Loch, das nach der Verschmelzung von GW190521 entstand, und die exzellenten Datenanalyse-Methoden ermöglichten jedoch schon jetzt den Nachweis. Zudem liefern die Daten neue Messungen der Masse und des Spins des so entstandenen schwarzen Lochs, die verlässlicher sein könnten als vorherige Messungen. Die Masse beträgt demnach 330 Sonnenmassen mit einer Unsicherheit von etwa 30 Sonnenmassen.
Glockenklang vom schwarzen Loch
"Das schwarze Loch ist vergleichbar mit einer Glocke, die läutet und ein Spektrum aus mehreren verblassenden Tönen erzeugt, die Informationen über die Glocke kodieren", erklärt Collin Capano vom Albert-Einstein-Institut. Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Albert-Einstein-Instituts Hannover analysierte öffentliche Daten der Gravitationswellendetektoren Ligo- und Virgo, die das Verschmelzungsereignis GW190521 detektierten. Am Ende der Verschmelzung stand ein schwarzes Loch mit der bisher höchsten beobachteten Masse von hunderten Sonnenmassen. Sie entdeckten einen Akkord aus zwei gedämpften Tönen (auch „quasi-normale Moden“ genannt) in den Gravitationswellen, die während der Ringdown-Phase des Ereignisses abgestrahlt wurden.
Abklingen bei zwei Frequenzen
„Diese Multimoden-Beobachtung – also der Nachweis von zwei unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen eines verformente schwarzen Lochs – ist eine willkommene Überraschung. Bislang ging man davon aus, dass dies erst mit der nächsten Generation von Gravitationswellen-Detektoren möglich sein würde", sagt Capano.
Die Forschenden führten eine agnostische Suche nach den Frequenzen im Ringdown von GW190521 durch. Sie suchten nach einzelnen abklingenden Tönen und nahmen an, dass die Frequenzen der Moden und auch ihre Abklingzeiten vollkommen unabhängig voneinander sind. Sie identifizierten zwei Moden: Eine Grundmode bei einer Frequenz von 63 Hertz und eine weitere bei 98 Hertz mit Dämpfungszeiten von 26 Millisekunden bzw. 30 Millisekunden. Diese Werte sind mit denen aus numerisch-relativistischen Simulationen von kollidierenden schwarzer Löcher konsistent.
GW190521 hat keine Haare
Das No-Hair-Theorem besagt, dass in der allgemeinen Relativitätstheorie nur drei Messgrößen schwarze Löcher vollständig charakterisieren: ihre Masse, ihr Drehimpuls (Spin), sowie ihre elektrische Ladung, die für astrophysikalische schwarze Löcher vernachlässigbar ist. Es sind keine weiteren Informationen oder zusätzliche „Haare“ zur Beschreibung erforderlich. Die Frequenzen der Ringdown-Moden und ihre Dämpfungszeiten des in GW190521 entstandenen schwarzen Lochs können also nur von Masse und Drehimpuls abhängen.
Numerische Simulation der Verschmelzung zwei schwerer Schwarzer Löcher (GW190521)
„Wir haben das No-Hair-Theorem für schwarze Löcher getestet, indem wir die Frequenzen und die Dämpfungszeiten der beiden Moden verglichen haben, die wir im Ringdown von GW190521 gefunden haben“, sagt Julian Westerweck, ehemaliger Mitarbeiter des Albert-Einstein-Institut. „GW190521 hat diesen Test bestanden und wir haben keine Anzeichen einer Physik schwarzer Löcher gefunden, die über Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hinausgeht. Es ist bemerkenswert, dass eine Theorie, die über hundert Jahre alt ist, immer noch so gut funktioniert.“
Das Forschungsteam nahm an, dass die Frequenz und die Abklingzeit der fundamentalen Schwingungsmode des schwarzen Lochs von seiner Masse und seinem Spin abhängen, wie es aus Einsteins Theorie folgt. Sie erlaubten dann, dass die Frequenz und die Abklingzeit der zweiten gefundenen Schwingungsmode von denen in der allgemeinen Relativitätstheorie erwarteten Werten abwichen. Sie überprüften, wie gut solche Abweichungen zu den Beobachtungen passen. Ihre Untersuchung zeigte, dass es keine solchen Abweichungen gibt und dass GW190521 mit der Einsteinschen Theorie übereinstimmt.
Die Ergebnisse widerlegen außerdem zwei alternative Vorschläge über die etwas rätselhafte Natur von GW190521. Sowohl eine Frontalkollision exotischer Sterne als auch der Kollaps eines massereichen Sterns zu einem schwarzen Loch mit einer massereichen Scheibe sind nun ausgeschlossen, da sie nicht mit dem beobachteten Abklingen mit mehreren Moden vereinbar sind.
„Vor mehr als 20 Jahren hatten wir solche Beobachtungen vorgeschlagen, um das Wesen von schwarzen Löchern zu testen“, sagt Badri Krishnan, ehemaliger Mitarbeiter am Albert-Einstein-Institut, heute Professor an der Radboud Universität. „Damals haben wir nicht geglaubt, dass die Ligo- und Virgo-Detektoren in der Lage sein würden, mehrere Frequenzen im Ringdown zu beobachten. Daher freuen mich diese Ergebnisse ganz besonders.“
