Fünfzig Gravitationswellen-Ereignisse bildlich dargestellt

Diese Illustration veranschaulicht die Massen der ersten 50 Ereignisse.

Bildcredit: LIGOVirgo-Arbeitsgruppe, Frank Elavsky, Aaron Geller, Northwestern U.

Beschreibung: Mehr als 50 Gravitationswellenereignisse wurden mittlerweile entdeckt. Diese Ereignisse markieren die fernen, gewaltigen Kollisionen von entweder zwei schwarzen Löchern oder einem schwarzen Loch mit einem Neutronenstern oder von zwei Neutronensternen. Die meisten dieser 50 Ereignisse wurden 2019 mit den LIGO-Gravitationswellendetektoren in den USA und dem VIRGO-Detektor in Europa entdeckt.

Diese Illustration veranschaulicht die Massen der ersten 50 Ereignisse. Blaue Punkte zeigen schwarze Löcher mit höherer Masse, während orangefarbene Punkte Neutronensterne mit geringerer Masse kennzeichnen. Astrophysikerinnen und Astrophysiker sind derzeit jedoch nicht sicher, was die Natur von Ereignissen betrifft, die weiß markiert sind, und deren Massen anscheinend in der Mitte liegen – zwischen zwei und fünf Sonnenmassen.

Am Nachthimmel in sichtbarem Licht überwiegen nahe helle Sterne, die seit Anbeginn der Menschheit bekannt sind. Im Gegensatz dazu überwiegen am Gravitationswellenhimmel ferne, dunkle schwarze Löcher, die seit weniger als fünf Jahre bekannt sind.

Dieser Unterschied ist aufschlussreich: Wenn man den Gravitationswellenhimmel versteht, verändert schon das allein das Wissen der Menschheit – nicht nur über Sterngeburt und -tod im ganzen Universum, sondern sogar über die Eigenschaften des Universums selbst.

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GW190521: Unerwartete Schwarze Löcher kollidieren

Das Gravitationswellenereignis GW190521 war die Verschmelzung der massereichsten schwarzen Löcher, die bisher von LIGO und Virgo beobachtet wurden.

Illustrationscredit: Raúl Rubio (Virgo Valencia Group, The Virgo Collaboration)

Beschreibung: Wie entstehen schwarze Löcher wie dieses? Die beiden schwarzen Löcher, die auf spiralförmigen Bahnen zusammenstießen und das Gravitationswellenereignis GW190521 auslösten, waren nicht nur die massereichsten schwarzen Löcher, die LIGO und Virgo bisher beobachteten. Ihre Massen – 66 und 85 Sonnenmassen – waren außerdem beispiellos und unerwartet.

Man weiß, dass schwarze Löcher mit geringerer Masse – weniger als 65 Sonnenmassen – bei Supernovaexplosionen entstehen. Umgekehrt geht man davon aus, dass schwarze Löcher mit höherer Masse – mehr als ungefähr 135 Sonnenmassen – bei der Implosion sehr massereicher Sterne entstehen, nachdem diese ihre für die Kernfusion verantwortlichen Elemente, die der Gravitation entgegenwirken, aufgebraucht haben.

Wie solche schwarzen Löcher mit dazwischen liegenden Massen entstanden, ist noch unbekannt. Eine Hypothese besagt, dass sie durch aufeinanderfolgende Kollisionen zwischen Sternen und schwarzen Löchern in dichten Sternhaufen entstehen. Diese Illustration zeigt schwarze Löcher kurz vor der Kollision, die Pfeile markieren ihre Rotationsachsen. Die spiralförmigen Wellen auf der Illustration zeigen die Entstehung von Gravitationsstrahlung an, während die umgebenden Sterne auf die Möglichkeit hinweisen, dass sich die Verschmelzung in einem Sternhaufen ereignete.

Das Verschmelzungsereignis schwarzer Löcher mit der Bezeichnung GW190521 wurde letztes Jahr beobachtet, es stammt aber aus einer Zeit, als das Universum erst etwa halb so alt war wie heute (z ~ 0.8). Es ist das fernste Ereignis, das je beobachtet wurde, sogar innerhalb der Messtoleranz.

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Sicherheitsvideo für ein Schwarzes Loch


Videocredit: GSFC der NASA, SVS; Musik: Prim and Proper von Universal Production Music

Beschreibung: Wenn Sie ein kleines einäugiges Monster wären, würden Sie ein Schwarzes Loch besuchen wollen? Nun, das im Video möchte eins besuchen – aber sollte es? Eigentlich nicht, aber da unsere kleine Freundin auf die Reise besteht, informiert das Video, was Schwarze Löcher eigentlich sind, und wie man den Besuch so sicher wie möglich gestalten kann.

Schwarze Löcher sind Materieklumpen, die so dicht sind, dass Licht nicht entkommen kann. In jüngster Zeit fand man durch die Messung ungewöhnlicher Gravitationswellen heraus, dass Paare Schwarzer Löcher mit jeweils mehreren Sonnenmassen verschmelzen. Die Regionen um sehr massereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien können heller werden, wenn Sterne, die ihnen zu nahe kommen, geschreddert werden.

Das erdnächste Schwarze Loch ist V616 Mon, es ist etwa 3300 Lichtjahre von uns entfernt. Als beste Möglichkeit für unsere Monsterfreundin, sicher zu reisen, empfiehlt das Video, ihm nicht zu nahe zu kommen.

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Seltsames Signal zeigt Zerstörung eines Neutronensterns durch Schwarzes Loch


Illustrations-Videocredit: NASA, Dana Berry (Skyworks Digital)

Beschreibung: Was löste diese ungewöhnliche Explosion aus? Vor drei Wochen erfassten Gravitationswellendetektoren in den USA und Europa – die LIGO– und Virgo-Detektoren – einen Ausbruch an Gravitationswellen. Die Wellenform entsprach dem, was man erwarten würde, wenn ein Schwarzes Loch einen Neutronenstern zerstört. Ein Objekt des Ereignisses S190814sv passte am besten zu einer mehr als fünffachen Masse der Sonne – das machte es zu einem guten Kandidaten für ein Schwarzes Loch. Das andere Objekt hat anscheinend weniger als drei Sonnenmassen, weshalb es ein guter Kandidat für einen Neutronenstern ist.

Noch nie zuvor wurden bei einem ähnlichen Ereignis Gravitationswellen entdeckt. Leider war bei dieser Explosion kein Licht zu sehen, das von dem zerreißenden Neutronenstern stammen hätte können. Es ist theoretisch möglich, dass auch das Objekt mit geringerer Masse ein Schwarzes Loch war, doch es ist kein eindeutiges Beispiel eines Schwarzen Lochs mit einer so geringen Masse bekannt.

Dieses Video wurde erstellt, um eine zuvor vermutete Kollision zwischen einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern zu veranschaulichen, die 2005 durch Strahlung entdeckt wurde, insbesondere Gammastrahlen vom Ausbruch GRB 050724. Das animierte Video beginnt mit einem Neutronenstern im Vordergrund, der ein Schwarzes Loch umrundet, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Die Gravitation des Schwarzen Lochs zerreißt dann den Neutronenstern. Sobald Teile in das Schwarze Loch fallen, entsteht ein Strahl.

S190814sv wird weiterhin untersucht, wobei Hinweise auf die Natur der beteiligten Objekte vielleicht von künftigen Entdeckungen ähnlicher Systeme stammen werden.

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Simulation: Zwei Schwarze Löcher verschmelzen


Simulationscredit: Simulating eXtreme Spacetimes Project

Beschreibung: Lehnen Sie sich zurück und beobachten Sie, wie zwei Schwarze Löcher verschmelzen. Dieses Simulationsvideo entstand nach der ersten direkten Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015. Es läuft in Zeitlupe und würde in Echtzeit ungefähr eine Drittelsekunde dauern.

Die Schwarzen Löcher posieren auf einer kosmischen Bühne vor Sternen, Gas und Staub. Ihre extreme Gravitation bricht das Licht von dahinter zu Einsteinringen, während sie sich einander auf spiralförmigen Bahnen nähern und schließlich verschmelzen. Durch die an sich unsichtbaren Gravitationswellen, die beim blitzartigen Verschmelzen der massereichen Objekte entstehen, plätschert und schwappt das sichtbare Bild innerhalb und außerhalb der Einsteinringe, sogar noch nachdem die Schwarzen Löcher verschmolzen sind.

Die von LIGO entdeckten Gravitationswellen werden als GW150914 bezeichnet, sie entsprechen der Verschmelzung Schwarzer Löcher mit 36 und 31 Sonnenmassen in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren. Das finale einzelne Schwarze Loch besitzt 63 Sonnenmassen, wobei die übrigen 3 Sonnenmassen in Energie umgewandelt wurden, und zwar in Form von Gravitationswellen. Seit damals meldeten die LIGO– und VIRGO-Gravitationswellen-Observatorien mehrere weitere Entdeckungen verschmelzender massereicher Systeme, und letzte Woche das zeigte das Event Horizon Telescope das erste horizontgroße Bild eines Schwarzen Loches.

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Massereiche Schwarze Löcher auf einer Spiralbahn


Videocredit: NASA’s Goddard Space Flight Center; Musik: In der Halle des Bergkönigs von Edvard Grieg

Beschreibung: Leuchten Schwarze Löcher, wenn sie kollidieren? Wenn sie verschmelzen, strahlen umeinander kreisende Schwarze Löcher mit Sicherheit eine Menge ungewöhnlicher Gravitationswellen ab. Strahlen sie aber schon viel früher Licht ab, wenn sie von Gas umgeben sind?

Um das herauszufinden, entwickelten Astrophysiker eine komplexe Computersimulation. Die Simulation und dieses Ergebnisvideo zeigen sehr detailreich zwei sehr massereiche Schwarze Löcher zusammen mit dem Einfluss von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie auf das umgebende Gas und Licht.

Das Video zeigt das System zuerst von oben, danach von der Seite, dabei sind ungewöhnliche Gravitationslinsenverzerrungen augenfälliger. Rechnerische Ergebnisse lassen vermuten, dass Gravitations- und Magnetkräfte das Gas aufheizen, sodass es sehr energiereiches Licht vom Ultraviolett– bis zum Röntgenbereich abstrahlt. Solche Lichtemissionen ermöglichen der Menschheit vielleicht, Paare sehr massereicher Schwarzer Löcher lange vor ihrem Verschmelzen auf spiralförmigen Bahnen aufzuspüren und zu untersuchen.

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LIGO-Virgo GW170814 Himmelskarte

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Illustrationscredit: LIGOVirgo-Arbeitsgemeinschaft – Optische Himmelsdaten: A. Mellinger

Beschreibung: Drei auf dem Planeten Erde verteilte Gravitationswellendetektoren meldeten eine Gemeinschaftsentdeckung von Wellen in der Raumzeit – es ist die vierte gemeldete Entdeckung der Verschmelzung eines Binärsystems Schwarzer Löcher im fernen Universum. Das Ereignis wurde GW170814 benannt, nach seiner Entdeckung am 14. August 2017 durch die LIGO-Beobachtungsorte in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) sowie das erst kürzlich in Betrieb genommene Virgo-Observatorium bei Pisa in Italien. Das Signal entstand in den letzten Augenblicken der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit 31 und 25 Sonnenmassen in einer Entfernung von etwa 1,8 Milliarden Lichtjahren. Der Zeitvergleich der Messungen der Gravitationswellen an allen drei Standorten erlaubte den Astronomen eine erheblich verbesserte Eingrenzung der Herkunft des Signals am Himmel.Die einzige Himmelsregion, die mit den Signalen aller drei Detektoren übereinstimmt, liegt über den Magellanschen Wolken im Sternbild Eridanus, sie ist auf dieser Ganzhimmelskarte mit gelber Umrisslinie markiert. Die Ganzhimmelsprojektion zeigt auch den Bogen unserer Milchstraße. Eine verbesserte Lagebestimmung der Herkunft der Gravitationswelle durch drei Detektoren erlaubte schnelle Nachfolgebeobachtungen mit anderen üblicheren Observatorien für elektromagnetische Strahlung, die nach Signalen suchen können, welche möglicherweise mit dem Ereignis zusammenhängen. Die Ergänzung durch den Virgo-Detektor ermöglichte weiters die Messung der Polarisation der Gravitationswelle – eine Möglichkeit, die zudem Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bestätigt.

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GW151226 – eine zweite bestätigte Quelle von Gravitationswellen


Illustrationscredit: LIGO, NSF

Beschreibung: Ein neuer Himmel wird sichtbar. Wenn Sie hinaufblicken, sehen Sie den Himmel, wie er im Licht erscheint – das ist elektromagnetische Strahlung. Doch erst im letzten Jahr begann die Menschheit zu sehen, wie unser einst vertrauter Himmel in einer anderen Art von Strahlung erscheint – Gravitationswellen. Heute veröffentlichte die LIGO-Arbeitsgruppe die Entdeckung von GW151226, dem zweiten bestätigten Gravitationswellenblitz nach GW150914, der historischen ersten Entdeckung, die vor drei Monaten gemeldet wurde. Wie der Name andeutet, wurde GW151226 Ende Dezember 2015 entdeckt. Er wurde zeitgleich von beiden LIGO-Anlagen in Washington und Louisiana (USA) registriert. In diesem Video zeigt eine animierte Darstellung, wie sich die Frequenz von GW151226 während der Messung am Observatorium in Hanford (Washington) änderte. Dieses Gravitationswellen aussendende System passt am besten zu zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern mit Anfangsmassen von etwa 14 und 8 Sonnenmassen bei einer Rotverschiebung von ungefähr 0.09 – wenn das stimmt, brauchte diese Strahlung grob geschätzt 1,4 Milliarden Jahre, um uns zu erreichen. Beachten Sie, dass Helligkeit und Frequenz der Gravitationswellen – hier als Klang wiedergegeben – in der letzten Sekunde der Verschmelzung der Schwarzen Löcher ihren Höhepunkt erreichen. Während LIGO weiterarbeitet, seine Empfindlichkeit steigt und in den nächsten Jahren weitere Gravitationswellendetektoren in Betrieb gehen, wird die neue Sicht des Himmels sicherlich das menschliche Verständnis des Universums verändern.

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LIGO entdeckt Gravitationswellen verschmelzender schwarzer Löcher

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Illustrationscredit: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Beschreibung: Gravitationsstrahlung wurde direkt nachgewiesen. Diese erste Entdeckung gelang letzten September gleichzeitig mit den Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorien (LIGO) in Washington und Louisiana. Nach zahlreichen Prüfungen der Übereinstimmungen wurde das Ergebnis der 5-Sigma-Entdeckung heute veröffentlicht. Die gemessenen Gravitations wellen stimmen mit dem überein, was erwartet wird, wenn zwei große Schwarze Löcher in einer fernen Galaxie nach einer Todesspirale miteinander verschmelzen und das neu entstandene Schwarze Loch einen Augenblick lang schnell abklingend vibriert. Die historische Entdeckung ist ein Phänomen, das von Einstein vorausgesagt wurde, und ein Meilenstein im Verständnis der Menschheit von Gravitation und den Grundlagen der Physik. Sie ist auch die bisher unmittelbarste Entdeckung Schwarzer Löcher. Die Illustration zeigt die beiden verschmelzenden Schwarzen Löcher, am unteren Bildrand ist die Signalstärke der beiden Detektoren während 0,3 Sekunden dargestellt. Die zu erwartenden künftigen Entdeckungen durch Advanced LIGO und andere Gravitationswellendetektoren könnten nicht nur die atemberaubende Natur dieser Messung bestätigen, sondern geben der Menschheit auch das ungeheure Versprechen, unser Universum auf neue Arten zu sehen und zu erforschen.

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Advanced LIGO: verbesserte Gravitationswellendetektoren

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Bildcredit: LIGO, Caltech, MIT, NSF

Beschreibung: Wenn man Ladung beschleunigt, entsteht elektromagnetische Strahlung: Licht. Doch wenn man Masse beschleunigt, entstehen Gravitationswellen. Licht war die ganze Zeit sichtbar, doch ein bestätigter direkter Nachweis von Gravitationswellen ist schwierig. Wenn Gravitationswellen absorbiert werden, entsteht ein winziges symmetrisches Wackeln, wie wenn man einen Gummiball quetscht und dann schnell wieder loslässt. Mithilfe getrennter Detektoren kann man Gravitationswellen von alltäglichen Stößen unterscheiden. Starke astronomische Quellen für Gravitationswellen würden gleichzeitig rütteln, sogar dann, wenn die Detektoren an gegenüberliegenden Seiten der Erde stehen. Hier sind die vier Kilometer langen Arme eines solchen Detektors abgebildet: das Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) im US-Bundesstaat Washington. Die Gravitations wellendetektoren werden – wie auch beim Schwesterinterferometer in Louisiana – kontinuierlich verbessert, sie sind nun empfindlicher als je zuvor.

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