GW200115: Simulation der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern


Videocredit: Simulation: S.V. Chaurasia (Stockholm U.), T. Dietrich (Potsdam U. & MPIGP); Visualisierung: T. Dietrich (Potsdam U. und MPIGP), N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer (MPIGP)

Beschreibung: Was passiert, wenn ein Schwarzes Loch einen Neutronenstern vernichtet? Analysen lassen den Schluss zu, dass so ein Geschehen das Gravitationswellenereignis GW200115 verursachte, das im Januar 2020 von den Observatorien LIGO und Virgo beobachtet wurde.

Um das ungewöhnliche Ereignis besser zu verstehen, wurde diese Visualisierung aus einer Computersimulation erstellt. Zu Beginn des Visualisierungsvideos kreisen das Schwarze Loch (etwa 6 Sonnenmassen) und der Neutronenstern (etwa 1,5 Sonnenmassen) umeinander und senden dabei eine immer größer werdende Menge an Gravitationsstrahlung aus. Das malerische Muster der Gravitationswellen-Emission ist in Blau dargestellt.

Das Duo nähert sich einander immer schneller auf spiralförmigen Bahnen, bis der Neutronenstern vollständig vom Schwarzen Loch verschlungen wird. Da der Neutronenstern während der Kollision nicht auseinanderbricht, entkommt nur wenig Licht – das passt zum Fehlen eines beobachteten optischen Gegenstücks. Das übrig gebliebene Schwarze Loch schwingt kurz. Sobald das Schwingen abklingt, verebben auch die ausgesendeten Gravitationswellen.

Das 30-sekündige Zeitraffervideo ist scheinbar kurz, doch in Wirklichkeit dauert es etwa 1000-mal so lang wie das echte Verschmelzungsereignis.

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Wenn Schwarze Löcher kollidieren


Videocredit und -rechte: Simulating Extreme Spacetimes Collaboration

Beschreibung: Was passiert, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren? Dieses extreme Szenario passiert in den Zentren vieler verschmelzender Galaxien und in Mehrfachsternsystemen. Dieses Video zeigt eine Computeranimation der Endphase so einer Verschmelzung und veranschaulicht die Gravitationslinseneffekte, die am Sternenfeld im Hintergrund auftreten würden.

Die schwarzen Regionen markieren die Ereignishorizonte des dynamischen Duos, während ein darum herum verlaufender Ring aus sich verschiebenden Hintergrundsternen die Position ihres gemeinsamen Einsteinrings anzeigt. Von allen Hintergrundsternen sind Bilder nicht nur außerhalb dieses Einsteinrings sichtbar, sondern jeweils auch ein oder mehrere Begleitbilder im Inneren.

Am Ende verschmelzen die beiden Schwarzen Löcher. Heute wissen wir, dass das Endstadium so einer Verschmelzung heftige Gravitationsstrahlung erzeugt, die eine neue Sichtweise auf unser Universum bietet.

Diese Woche ist Schwarze-Löcher-Woche der NASA

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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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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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LIGO-Virgo GW170814 Himmelskarte

Siehe Erklärung. Ein Klick auf das Bild lädt die höchstaufgelöste verfügbare Version.

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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