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Astronomen könnten Binärpaare kleiner Schwarzer Löcher in einem kosmischen „Versteckspiel“ nutzen, um viel größere, aber schwer fassbare, supermassive Doppelsterne Schwarzer Löcher aufzuspüren. Diese Technik könnte daher dazu beitragen, das Rätsel zu lösen, warum supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell wuchsen.
Trotz ihres Rufs als furchterregende kosmische Titanen ist es keine leichte Aufgabe, Schwarze Löcher zu entdecken. Alle Schwarzen Löcher sind von einer einseitig lichteinfangenden Grenze umgeben, die als „Ereignishorizont“ bezeichnet wird und sicherstellt, dass sie kein Licht aussenden. Selbst supermassereiche Schwarze Löcher im Kern von Galaxien mit Massen, die das Millionen- oder Milliardenfache der Sonnenmasse betragen, sind nur dann „sichtbar“, wenn sie sich von einer großen Menge umgebender Materie ernähren oder einen unglücklichen Stern zerstören.
Allerdings ist Licht, genauer gesagt „elektromagnetische Strahlung“, nur eine Strahlungsart. „Gravitationsstrahlung“ ist eine andere, die in Form winziger Wellen auftritt, die die Raumzeit vibrieren lassen, sogenannte „Gravitationswellen“, und die die Menschheit gerade erst zu entdecken beginnt. Das bedeutet, dass Astronomen bei diesem Versteckspiel nicht nach Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher suchen müssen, sondern ihnen zuhören können.
„Unsere Idee funktioniert im Grunde so, als würde man einen Radiosender hören. „Wir schlagen vor, das Signal von Paaren kleiner Schwarzer Löcher auf die gleiche Weise zu nutzen, wie Radiowellen das Signal übertragen“, sagte Jakob Stegmann, Teamleiter und Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Technologie, in einer Erklärung. „Supermassereiche Schwarze Löcher sind die Musik, die in der Frequenzmodulation (FM) des erkannten Signals kodiert ist. »
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Ein kleines schwarzes Loch singt im Sopran
Gravitationswellen sind ein Konzept, das erstmals von Albert Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie, seinem Hauptwerk der Gravitationstheorie aus dem Jahr 1915, vorgeschlagen wurde.
Die Allgemeine Relativitätstheorie legt nahe, dass Schwerkraft entsteht, wenn ein Objekt mit Masse die eigentliche Struktur von Raum und Zeit „verzerrt“, die Einstein zuvor zu einer einzigen vierdimensionalen Einheit (drei räumliche Dimensionen, eine zeitliche Dimension) namens „Raumzeit“ vereint hatte.
Je größer die Masse, desto größer ist die extreme Krümmung des Raums, die ein Objekt erzeugt. Dies erklärt, warum Planeten einen größeren Einfluss auf die Gravitation haben als Monde, warum Sterne einen größeren Einfluss haben als Planeten und warum Schwarze Löcher den größten Einfluss aller isolierten Objekte haben.
Einstein sagte auch voraus, dass Objekte, die durch die Raumzeit beschleunigt werden, ihre Struktur mit Wellen oder Gravitationswellen „klingeln“ lassen. Diese sind für Objekte mit geringer Masse völlig unbedeutend, aber wenn Schwarze Löcher einander umkreisen (wobei man bedenkt, dass Kreisbewegung eine Beschleunigung ist), haben sie genug Masse, um signifikante Gravitationswellen zu erzeugen.
Während sich diese Schwarzen Löcher spiralförmig umeinander drehen, senden sie kontinuierlich niederfrequente Gravitationswellen aus. Diese Gravitationswellen tragen den Drehimpuls (oder Spin) weg und zwingen die Schwarzen Löcher näher zusammen, ein Prozess, der als „Spiralbildung“ bezeichnet wird. Dadurch erhöht sich die Frequenz der Gravitationswellen, wodurch der Drehimpuls immer schneller beschleunigt wird.
Bis die Schwarzen Löcher schließlich kollidieren und verschmelzen, ein Ereignis, das einen „Schrei“ höherfrequenter Gravitationswellen aussendet.
Doch Einstein sagte voraus, dass diese Raum-Zeit-Wellen zu schwach sein würden, um entdeckt zu werden, insbesondere weil sie bei ihrer Ausbreitung durch den Kosmos Energie verlieren würden und es bei Millionen oder sogar Milliarden von Lichtjahren zu Verschmelzungen von Schwarzen Löchern kommen würde.
Glücklicherweise wissen wir jetzt, dass Einstein falsch lag.
Seit der Entdeckung des ersten Gravitationswellensignals durch das Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) im Jahr 2015 aus einer Verschmelzung binärer Schwarzer Löcher in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung wurden zahlreiche Kollisionen Schwarzer Löcher dieser Art nachgewiesen.
Eines haben diese Entdeckungen jedoch gemeinsam: Wenn es sich um Schwarze Löcher handelt, handelt es sich immer um Paare von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse, deren Masse zwischen dem Drei- und Hundertfachen der Sonne liegt. Erdbasierte Gravitationswellendetektoren wie LIGO und seine VIRGO-Gegenstücke in Italien sowie der Kamioka-Gravitationswellendetektor (KAGRA) in Japan waren bisher schwer zu entdecken.
So wie sich unsere Ohren so entwickelt haben, dass sie bestimmte Schallfrequenzen hören und andere nicht, können diese Instrumente nur einen bestimmten Bereich der Gravitationswellenfrequenzen erkennen. Gravitationswellen, die von Paaren wirbelnder supermassereicher Schwarzer Löcher ausgesendet werden, haben eine zu niedrige Frequenz, als dass die Gravitationswellendetektoren der Erde sie „hören“ könnten.
Mit anderen Worten, mit ihren Gravitationswellen singen Sternmasse-Doppelsterne Sopran, während supermassereiche Paare Bariton singen.
Dieses Team schlägt vor, die subtilen Veränderungen in den Gravitationswellen von Doppelsternen von Schwarzen Löchern mit Sternmasse zu erfassen, die durch interferierende Gravitationswellen von supermassereichen Doppelsternen verursacht werden.
Diese kleinen Modulationen könnten daher dazu beitragen, Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher aufzudecken, die derzeit nur als kollektives „Hintergrundbrummen“ mithilfe riesiger Ansammlungen schnell rotierender Neutronensterne, sogenannter Pulsarsynchronisationsnetzwerke, erkennbar sind.
„Der innovative Aspekt dieser Idee besteht darin, hohe Frequenzen, die leicht zu erkennen sind, zu nutzen, um niedrigere Frequenzen zu untersuchen, für die wir noch nicht empfindlich sind“, sagte Stegmann.
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Der Vorschlag könnte auch als Leitfaden für das Design zukünftiger Gravitationswellendetektoren dienen, beispielsweise des kommenden Weltraumdetektors Laser Interferometer Space Antenna (LISA) der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).
„Nachdem der Weg für LISA nach der Annahme durch die ESA im vergangenen Januar nun festgelegt ist, muss die Gemeinschaft die beste Strategie für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren evaluieren“, sagte Lucio Mayer, Mitglied des Teams und Theoretiker des Schwarzen Lochs von der Universität von Zürich. „Insbesondere, auf welchen Frequenzbereich sie abzielen sollten – Studien wie diese liefern eine starke Motivation, einem Dezi-Hz-Detektor Vorrang einzuräumen [low-frequency] „Detektordesign. »
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (5. August) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.