Forscher aus Manitoba sind Teil eines Teams, das das Rätsel um die größte jemals registrierte Verschmelzung Schwarzer Löcher lösen will

Eine Gruppe von Forschern aus Manitoba war hinter den Kulissen an einem internationalen Projekt beteiligt, das diese Woche enthüllte, wie zwei massereiche Schwarze Löcher zu einem einzigen verschmolzen – glücklicherweise Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt.

Samar Safi-Harb, Astrophysikerin an der University of Manitoba und Inhaberin des Canada Research Chair in Extreme Astrophysics, und ihr Team arbeiten am LIGO-Virgo-KAGRA-Programm mit, das am Montag Beweise für das veröffentlichte, was Safi-Harb als „das massereichste bisher entdeckte Doppelschwarze Loch“ bezeichnet.

Eine weitere Überraschung der Entdeckung, die ursprünglich im November 2023 erfolgte, war die atemberaubende Geschwindigkeit, mit der sich jedes Schwarze Loch zum Zeitpunkt ihres Zusammenstoßes drehte – „nahe der maximal möglichen [Geschwindigkeit], die die Theorie zulässt“, sagte Safi-Harb, der auch Professor für Physik und Astronomie an der University of Michigan in Winnipeg ist.

„Sie sind also nicht nur riesig, sie drehen sich auch wie verrückt – mit der 400.000-fachen Rotationsgeschwindigkeit der Erde.“

Ihr Team war nicht direkt an dieser Entdeckung beteiligt, aber es ist Teil der Gemeinschaft von Tausenden von Forschern weltweit, die an LIGO beteiligt sind – dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, das Detektoren im Bundesstaat Washington und in Louisiana betreibt.

Zum Team gehört der Postdoktorand Nathan Steinle von der University of Michigan, der auf Gravitationswellen-Astrophysik und die Modellierung der Kollision Schwarzer Löcher spezialisiert ist, während Postdoktorand Labani Mallick an der elektromagnetischen Beobachtung Schwarzer Löcher arbeitet.

Safi-Harbs Doktorand Neil Doerksen konzentriert sich auf die Verbesserung der Empfindlichkeit von Detektoren, die in der Gravitationswellen-Erkennungstechnologie verwendet werden, und Doktorand Lucas da Conceição arbeitet an der Erkennung von Gravitationswellen von Neutronensternen.

Wilde Extreme studieren

Alle fünf erforschen wilde Extreme – extreme Temperaturen, extreme Schwerkraft, extreme Magnetfelder, die von astrophysikalischen Systemen ausgehen.

Diese stehen zufälligerweise mit dem Tod von Sternen in Verbindung – Safi-Harb ist davon fasziniert, weil sie uns Aufschluss über die Herkunft aller Dinge geben können.

Sternexplosionen führen zur Entstehung einiger der schwersten Elemente im Universum: dem Kalzium in Ihren Knochen. Dem goldenen Verlobungsring, den Ihnen Ihre Großmutter hinterlassen hat. Dem Platin im Katalysator, den Sie aus der Limousine Ihres Kumpels gestohlen haben. All das entstand durch einen gewaltigen Knall im Vakuum des Weltraums.

Die allgemein anerkannte Entstehungsweise Schwarzer Löcher ist der Kollaps eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens. Sein Sternenkörper verwandelt sich in dieses mysteriöse, unglaublich dichte Materiepaket, dessen Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann.

Dies macht Schwarze Löcher für herkömmliche lichtbasierte Teleskope im Grunde unsichtbar, weshalb sich traditionelle Studien auf die indirekten Auswirkungen konzentrierten, die Schwarze Löcher auf ihre Umgebung haben.

Mithilfe von Röntgenteleskopen können Wissenschaftler beispielsweise auf die Existenz eines Schwarzen Lochs schließen, indem sie die Gravitationseffekte untersuchen, die dieses auf nahe Sterne ausübt, oder indem sie Materialien wie Gas und Staub finden, die sich in Scheiben um Schwarze Löcher bilden.

Doch wenn es um die Suche nach Kollisionen Schwarzer Löcher geht, sind andere Werkzeuge erforderlich.

LIGO wurde entwickelt, um nach Gravitationswellensignaturen zu suchen, deren Existenz Albert Einstein vor über einem Jahrhundert erstmals vorhergesagt hatte.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie postulierte, dass diese durch die Raumzeit kräuselnden Wellen durch die Bewegung beschleunigter Objekte erzeugt werden. Und zwar großer, großer.

„Wenn man einen Stein in einen See wirft, beobachtet man diese Wellen“, sagte Safi-Harb. „Ein Schwarzes Loch ist so dicht, dass es diese Wellen in der Raumzeit verursacht.“

Wenn zwei Schwarze Löcher einander umkreisen und sich immer näher kommen, beschleunigen sie, „und das führt zu wirklich starken Gravitationswellen“, sagte sie.

Einsteins Vorhersage blieb bis vor einem Jahrzehnt rein theoretisch, bis es Wissenschaftlern mit LIGO erstmals gelang, Gravitationswellen zu beobachten. Inzwischen seien 300 Kollisionen Schwarzer Löcher bekannt, sagte Safi-Harb.

Der neueste, GW231123 genannt, ist der bisher massereichste.

SEHEN SIE: Wissenschaftler entdecken erstmals Gravitationswellen (2016):

Das ursprüngliche Paar Schwarzer Löcher hatte eine 100- bzw. 140-mal größere Masse als unsere Sonne, und das Endprodukt der Verschmelzung liegt im Bereich von 225 Sonnenmassen.

Das klingt gewaltig, und das ist es auch, aber im Spektrum der Schwarzen Löcher dürfte es irgendwo in der Mitte liegen.

Es gibt drei Klassen von Schwarzen Löchern, darunter auch die in unserer kosmischen Nachbarschaft, die sogenannten Schwarzen Löcher mit stellarer Masse. Ihre Masse kann zwischen dem 10- und 60-Fachen der Masse unserer Sonne liegen.

Dann gibt es noch die supermassiven Schwarzen Löcher. Sie befinden sich im Zentrum von Galaxien und können Millionen bis Milliarden Mal massereicher sein als unsere Sonne. Manche haben sogar Namen – das dunkle Herz unserer Milchstraße heißt Sagittarius A.

Und in den letzten Jahren sind Hinweise auf die dritte Klasse aufgetaucht – Schwarze Löcher mittlerer Masse –, die zwischen Hunderten und Tausenden von Sonnenmassen liegen könnten, wie GW231123 und die Schwarzen Löcher, aus denen es entstanden ist.

Die Tatsache, dass die Eltern und GW231123 alle in die Zwischenzone fallen, ist aufregend – aber auch ein bisschen rätselhaft.

„Man geht davon aus, dass diese Massen ‚verboten‘ sind oder nicht erwartet werden, da die normale Sternentwicklung die Entstehung solcher Schwarzen Löcher nicht vorhersagt“, sagte Safi-Harb.

Es könne sein, dass jedes dieser Schwarzen Löcher aus der Verschmelzung noch kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sei, sagte Safi-Harb.

„Diese Entdeckung lehrt uns, dass einige kleinere Schwarze Löcher größere Schwarze Löcher bilden können, und dass größere Schwarze Löcher möglicherweise durch Kollisionen noch größere Schwarze Löcher bilden, und wenn sich diese in dichten Umgebungen befinden, können sie Dinge wie unsere Galaxie bilden“, sagte sie.

„Es geht also darum, unsere Ursprünge zu verstehen, woher wir kommen.“

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