Schlagwort: Gravitationswellen

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GW151226 – zweite bestätigte Quelle von Gravitationswellen

Illustrationscredit: LIGO, NSF

Ein neuer Himmel wird sichtbar. Wenn ihr hinauf blickt, seht ihr Licht am Himmel. Licht ist elektromagnetische Strahlung. Doch seit letztem Jahr können wir Menschen den einst vertrauten Himmel in einer anderen Art von Strahlung sehen. Es ist die Strahlung von Gravitationswellen.

Heute veröffentlichte die LIGO-Arbeitsgruppe die Entdeckung von GW151226. Es ist nach GW150914 der zweite bestätigte Blitz von Gravitationswellen. GW150914 war die historische erste Entdeckung. Sie wurde vor drei Monaten gemeldet. Der Name GW151226 deutet an, dass man das Ereignis Ende Dezember 2015 entdeckte. Der Blitz wurde von beiden LIGO-Anlagen gleichzeitig registriert. Die Detektoren stehen in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana.

Diese Animation zeigt, wie sich die Frequenz von GW151226 während der Messung am Observatorium in Hanford in Washington änderte. Das System, von dem die Gravitationswellen stammen, passt am besten zu zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern. Sie haben anfangs etwa 14 und 8 Sonnenmassen. Die Rotverschiebung beträgt ungefähr 0,09. Wenn das stimmt, brauchte diese Strahlung grob geschätzt 1,4 Milliarden Jahre bis zu uns.

Die Stärke und die Frequenz der Gravitationswellen wurden als Ton dargestellt. In der letzten Sekunde, bevor die Schwarzen Löcher verschmelzen, erreicht der Klang den höchsten Ton. LIGO arbeitet weiter, seine Empfindlichkeit steigt und in den nächsten Jahren gehen weitere Messgeräte für Gravitationswellen in Betrieb. Das bietet eine neue Sicht auf den Himmel. Es wird das menschliche Verständnis vom Universum verändern.

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Zwei Schwarze Löcher verschmelzen

Credit der Simulation: Projekt zur Simulation eXtremer Raumzeiten

Klicke auf den roten Pfeil und schau zu, wie zwei Schwarze Löcher verschmelzen. Die Videosimulation wurde vom ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen durch LIGO angeregt. Es läuft in Zeitlupe. In Echtzeit dauert es etwa eine Drittelsekunde.

Die Schwarzen Löcher tanzen auf einer kosmischen Bühne vor Sternen, Gas und Staub. Ihre enorme Gravitation bricht das Licht hinter ihnen in Einsteinringe. Dabei nähern sie sich einander auf Spiralbahnen. Am Ende verschmelzen sie zu einem einzigen Schwarzen Loch.

Bei der rasanten Verschmelzung der massereichen Objekte entstehen unsichtbare Gravitationswellen. Das führt dazu, dass sich das sichtbare Bild kräuselt. Noch nach der Verschmelzung der Schwarzen Löcher schwappen sie innen und außen über die Einsteinringe.

Die Gravitationswellen, die LiIGO aufgespürt hat, werden als GW150914 bezeichnet. Sie passen zur Verschmelzung Schwarzer Löcher mit 36 und 29 Sonnenmassen. Ihre Entfernung beträgt 1,3 Milliarden Lichtjahre. Das einzelne Schwarze Loch, das am Ende entsteht, besitzt 62 Sonnenmassen. Drei Sonnenmassen bleiben übrig. Diese drei Sonnenmassen wurden in Energie umgewandelt, die in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wurde.

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LIGO entdeckt Gravitationswellen: Schwarze Löcher verschmelzen

Unten im Bild verlaufen zwei gezackte Fieberkurven, eine in Rot, eine in Blau. Die Kurven verlaufen fast gleich. Darüber sind Schwarze Löcher abgebildet, links noch getrennt, in der Mitte verschmelzen die beiden, rechts ist nur noch ein Schwarzes Loch.

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

Gravitationswellen sind nun direkt bestätigt. Die erste Entdeckung gelang letzten September. Die Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorien (LIGO) in Washington und Louisiana maßen zur gleichen Zeit Gravitationswellen.

Man prüfte genau, ob die Messungen übereinstimmen. Heute wurde das Ergebnis der 5-Sigma-Entdeckung veröffentlicht. Die gemessenen Gravitationswellen zeigen ein Ergebnis, das man erwartet, wenn sich zwei große Schwarze Löcher in einer fernen Galaxie auf einer spiralförmigen Bahn nähern und verschmelzen. Das neu entstandene Schwarze Loch vibriert einen Augenblick. Dann klingt die Vibration schnell ab.

Die historische Entdeckung bestätigt ein Phänomen, das Einstein vorhergesagt hat. Sie ist ein Meilenstein beim Verständnis von Gravitation und den Grundlagen der Physik. Indirekt bestätigt die Entdeckung auch Schwarze Löcher. Die Grafik zeigt, wie die Schwarzen Löcher verschmelzen. Unten verlaufen zwei Kurven. Sie zeigen die Signalstärken der Detektoren im Lauf von 0,3 Sekunden.

In naher Zukunft werden wohl Gravitationswellen durch Advanced LIGO und andere Detektoren entdeckt. Die Entdeckungen bestätigen nicht nur die faszinierende Natur dieser Messung. Sie sind vielleicht auch eine mächtige Methode, mit der man das Universum auf neue Arten erforschen kann.

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Advanced LIGO: Bessere Detektoren für Gravitationswellen

Die Arme dieses Gravitationswellen-Observatoriums LIGO im US-Bundesstaat Washington sind je vier Kilometer lang. Sie befinden sich auf einem rostbraunen Untergrund in der Wüste.

Bildcredit: LIGO, Caltech, MIT, NSF

Wenn man Ladung beschleunigt, entsteht elektromagnetische Strahlung, zum Beispiel Licht. Doch wenn man Masse beschleunigt, entstehen Gravitationswellen. Licht war immer schon sichtbar. Doch es ist schwierig, einen direkten Nachweis von Gravitationswellen zu bestätigen. Wenn ein Detektor Gravitationswellen aufnimmt, entsteht ein winziges symmetrisches Wackeln. Es ist ähnlich, wie wenn man einen Gummiball quetscht und dann schnell wieder loslässt.

Man kann Gravitationswellen von alltäglichen Stößen unterscheiden, indem man getrennte Detektoren verwendet. Starke astronomische Quellen von Gravitationswellen rütteln gleichzeitig an den Messgeräten. Das passiert sogar dann, wenn die Detektoren auf zwei verschiedenen Seiten der Erde stehen.

Das Bild zeigt die Arme so eines Detektors. Sie sind vier Kilometer lang. Die Einrichtung im Bild ist das Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO). Er steht im Bundesstaat Washington (USA). Die Detektoren für Gravitationswellen werden ständig verbessert. Das geschieht auch beim verwandten Interferometer in Louisiana. Die Instrumente sind heute empfindlicher als je zuvor.

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Wenn Schwarze Löcher kollidieren

Videocredit und -rechte: Arbeitsgemeinschaft Simulation extremer Raumzeiten

Was passiert, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren? So eine Extremsituation findet man wahrscheinlich in den Zentren einiger verschmelzender Galaxien und bei Mehrfachsternsystemen.

Das Video ist eine Computeranimation. Sie zeigt das Endstadium einer Verschmelzung. Dabei wären solche Gravitationslinseneffekte vor einem Sternfeld im Hintergrund zu sehen. Die schwarzen Regionen markieren die Ereignishorizonte des dynamischen Duos. Sterne im Hintergrund verschieben sich und bilden einen Ring an der Position ihres gemeinsamen Einsteinrings, der außen herum verläuft. Man sieht nicht nur Bilder aller Hintergrundsterne außerhalb des Einsteinrings, sondern auch Begleitbilder im Inneren.

Am Ende verschmelzen die Schwarzen Löcher. Im letzte Stadium der Verschmelzung kann es einen starken Ausbruch an Gravitationsstrahlung geben, den man vorhersagen kann. Diese Art von Nachstrahlung wird intensiv gesucht. Sie ist von gänzlich anderer Natur als Licht. Man hat sie noch nie direkt beobachtet.

Weltraum-Musikvideo: APOD-Bilder vom September 2015

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Zwei Schwarze Löcher in 3C 75

Vor einem blau leuchtenden Hintergrund sind zwei helle Flecken, von denen rosarote Nebel ausströmen, die sich nach links krümmen.

Credit: Röntgen: NASA / CXC / D. Hudson, T. Reiprich et al. (AIfA); Radio: NRAO / VLA/ NRL

Beschreibung: Was geschieht in der Mitte dieser massereichen Galaxie? Die beiden hellen Quellen in der Mitte dieses Kompositbildes aus Röntgen- (blau) und Radiodaten (rosa) sind vermutlich sehr massereiche Schwarze Löcher, die einander umkreisen und die riesige Radioquelle 3C 75 speisen. Diese sehr massereichen Schwarzen Löcher sind 25.000 Lichtjahre voneinander entfernt. Sie stoßen Ströme aus relativistischen Teilchen aus und sind von viele Millionen Grad heißem Gas umgeben, das Röntgenstrahlen emittiert. Sie sind etwa 300 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und befinden sich in den Zentren zweier verschmelzender Galaxien im Galaxienhaufen Abell 400. Astronom*innen kommen zu dem Schluss, dass diese beiden massereichen Schwarzen Löcher in einem Binärsystem durch Gravitation verbunden sind, teils weil die gleichförmig zurückgefegte Erscheinung der Jets sehr wahrscheinlich durch ihre gemeinsame Bewegung entsteht – sie rasen mit 1200 Kilometern pro Sekunde durch das heiße Haufengas. Solche spektakulären kosmischen Verschmelzungen kommen im fernen Universum in den Umgebungen dicht gedrängter Galaxienansammlungen vermutlich häufig vor. Im Endstadium sind solche Verschmelzungen vermutlich starke Quellen von Gravitationswellen.

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