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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NGC 4993: Die galaktische Heimat einer historischen Explosion

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Bildcredit: NASA und ESA

Beschreibung: Der rötliche Punkt – er war zuvor nicht dort. Es ist der Punkt links über der Mitte der Galaxie NGC 4993, sehen Sie ihn? Als man das große Feld möglicher Orte eines optischen Gegenstücks zu dem beispiellosen Gravitationswellenereignis GW170817 im August absuchte, erlangte die Erscheinung dieses verblassenden Punktes rasch historische Bedeutung. Er zeigte die exakte Position von GW170817 und ermöglichte es, diese erste Entsprechung eines Gravitationswellenereignisses in Form elektromagnetischer Wellen mit den großen Teleskopen der Menschheit zu untersuchen. Es gibt starke Indizien, dass es sich um eine kurze GammablitzKilonova handelte – eine Explosion, bei der nach der Verschmelzung zweier Neutronensterne Elemente entstehen. Dieses Bild der Linsengalaxie NGC 4993 von Hubble zeigt den verblassenden Punkt mehrere Tage nach der Entdeckung. Weitere Analysen untersuchen: die Physik der Explosion, welche schweren Elemente entstanden, die Ähnlichkeit der Geschwindigkeiten von Gravitationsstrahlung und Licht sowie die Kalibrierung einer neuen Methode zur Bestimmung der Entfernungsskala unseres Universums.

Mehr über GW170817: Zeitschriften artikel, Daten, Grafiken
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GW170817: Spektakuläre Verschmelzung in mehreren Wellenlängen entdeckt


Erklärungsvideo-Credit: Bildgebungslabor der NASA

Beschreibung: Erstmals wurden kurz hintereinander Gravitations- und elektromagnetische Strahlung bei einem explosiven Verschmelzungsereignis detektiert. Die Daten des Ausbruchs passen zu einer spektakulären Neutronendoppelstern-Todesspirale. Der explosionsartige Vorgang wurde am 17. August in der nahen elliptischen Galaxie NGC 4993 beobachtet, die nur 130 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Zuerst wurden Gravitationswellen beobachtet, erstmals von den bodengebundenen Observatorien LIGO und Virgo gemeinsam, Sekunden später detektierte das Fermi-Observatorium im Orbit Gammastrahlen, und Stunden später beobachteten Hubble und andere Observatorien Licht im gesamten elektromagnetischen Spektrum. Hier zeigt ein animiertes Erklärvideo den wahrscheinlichen Vorgang des Ereignisses. Das Video zeigt heiße Neutronensterne, die sich einander auf spiralförmigen Bahnen nähern und Gravitationswellen aussenden. Beim Verschmelzen bricht ein mächtiger Strahl hervor, der den kurzen Gammablitz ausstößt, gefolgt von Auswurfwolken und im späteren Verlauf eine optische Supernova-Art, die als Kilonova bezeichnet wird. Dieses ersten übereinstimmenden Entdeckungen bestätigen, dass LIGO-Ereignisse mit kurzen Gammablitzen in Verbindung gebracht werden können. Solche mächtigen Neutronensternverschmelzungen haben vermutlich das Universum mit vielen schweren Kernen übersät, unter anderem das für Leben notwendige Jod sowie das Uran und Plutonium für Kernspaltung. Vielleicht besitzen Sie bereits ein Souvenir solchen Explosionen – man hält sie auch für die ursprünglichen Erzeuger von Gold.

Zeitschriftenartikel: Listen von LIGO und LCO
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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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Schwarze Löcher mit bekannter Masse

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

Beschreibung: GW170104 können wir zur Karte Schwarzer Löcher mit bekannter Masse hinzufügen. Die extrem energiereiche Verschmelzung zweier kleinerer Schwarzer Löcher deckt sich mit der dritten Gravitationswellenentdeckung des Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). Das neu entdeckte Schwarze Loch hat etwa 49 Sonnenmassen und füllt die Lücke zwischen den Massen der beiden verschmolzenen Schwarzen Löcher, die zuvor von LIGO entdeckt wurden, diese hatten 62 (GW150914) und 21 Sonnenmassen (GW151216). In allen drei Fällen wurde das Signal in jedem der Zwillings-LIGO-Detektoren eindeutig der Verschmelzung Schwarzer Löcher zugeordnet, ein vierter Fall (LVT151012) resultierte aus einem weniger sicheren Nachweis. Die Entfernung von GW170104 wird auf etwa 3 Milliarden Lichtjahre geschätzt, es ist somit weiter entfernt als die aktuellen Schätzungen für GW150914 und GW151216. Die Wellen in der Raumzeit wurden während LIGOs aktueller Beobachtungsperiode entdeckt, die am 30. November 2016 begann und den Sommer über fortgesetzt wird.

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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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Zwei Schwarze Löcher verschmelzen


Simulations-Credit: Simulating eXtreme Spacetimes Project

Beschreibung: Drücken Sie auf „Wiedergabe“ und beobachten Sie, wie zwei Schwarze Löcher verschmelzen. Diese Videosimulation, angeregt durch den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen durch LIGO, läuft in Zeitlupe und würde in Echtzeit etwa eine Drittelsekunde dauern. Die Schwarzen Löcher sind auf einer kosmischen Bühne vor Sternen, Gas und Staub positioniert. Ihre enorme Gravitation bricht das Licht hinter ihnen in Einsteinringe, während sie sich einander auf Spiralbahnen nähern und schließlich zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen. Die unsichtbaren Gravitationswellen, die bei der rasanten Verschmelzung der massereichen Objekte entstehen, führen zum Kräuseln des sichtbaren Bildes und schwappen noch nach der Verschmelzung der Schwarzen Löcher innen und außen über die Einsteinringe. Die von LiIGO aufgespürten Gravitationswellen mit der Bezeichnung GW150914 passen zur Verschmelzung Schwarzer Löcher mit 36 und 29 Sonnenmassen in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren. Das finale einzelne Schwarze Loch besitzt 62 Sonnenmassen, die restlichen drei Sonnenmassen wurden in Energie in Form von Gravitationswellen umgewandelt.

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