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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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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Wenn Schwarze Löcher kollidieren


Videocredit und -rechte: Simulating Extreme Spacetimes Collaboration

Beschreibung: Was geschieht, wenn zwei Schwarze Löcher zusammenstoßen? Dieses Extremszenario tritt wahrscheinlich in den Zentren einiger verschmelzender Galaxien und Mehrfachsternsysteme auf. Das hier gezeigte Video zeigt die Computeranimation des Endstadiums einer solchen Verschmelzung, bei der die Gravitationslinseneffekte betont wurden, die vor dem Sternenfeld im Hintergrund zu beobachten wären. Die schwarzen Regionen markieren die Ereignishorizonte des dynamischen Duos, während ein umgebender Ring aus sich verschiebenden Hintergrundsternen die Position ihres gemeinsamen Einsteinrings. Von allen Hintergrundsternen sind nicht nur außerhalb dieses Einsteinrings Bilder sichtbar, sondern auch ein oder mehrere Begleitbilder im Inneren. Schlussendlich verschmelzen die beiden Schwarzen Löcher. Die Endstadien solcher Verschmelzungen könnten zu einem starken, vorhersagbaren Ausbruch an Gravitationsstrahlung führen, das ist eine Nachstrahlung, nach der intensiv gesucht wird, sie hat eine völlig andere Natur als Licht und wurde bisher noch nie direkt beobachtet.

Weltraum-Musikvideo: APOD-Bilder vom September 2015
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