Gravitationswellen-Ereignis bestätigt zwei Theorien zu Schwarzen Löchern

Vor fast genau zehn Jahren, am 14. September 20915, gelang der erste Nachweis von Gravitationswellen – den Erschütterungen der Raumzeit durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Jetzt haben die LIGO-Gravitationswellen-Detektoren in den USA erneut die Signale eines solchen Ereignisses eingefangen. Dank der beispiellosen Klarheit und Auflösung dieses Gravitationswellen-Signals ermöglichte es das Ereignis GW250114, gleich zwei grundlegende Theorien zu Schwarzen Löchern zu bestätigen. Die erste stammt vom britischen Physiker Stephen Hawking und besagt, dass die vom Ereignishorizont umschlossene Fläche bei einer solchen Verschmelzung nie kleiner werden kann. Die zweite vom neuseeländischen Mathematiker Roy Kerr aufgestellte Theorie besagt, dass Schwarze Löcher durch nur zwei Parameter eindeutig beschreibbar sind: ihren Spin und ihre Masse. Beide Theorien konnten nun erstmals eindeutig bewiesen werden.

Seit Inbetriebnahme der beiden LIGO-Gravitationswellendetektoren in den USA und später auch der europäischen Anlage Virgo in Italien und KAGRA in Japan, haben Astrophysiker bereits die Gravitationswellen von rund 220 kosmischen Kollisionsereignissen eingefangen. Wenn zwei massereiche Objekte sich spiralig aufeinander zu bewegen und dann verschmelzen, setzt dies Energie frei, die sich auch als Erschütterung der Raumzeit manifestiert. Die Detektoren registrieren diese schwachen, nur wenige Minuten andauernden Wellen, weil sich das Interferenzmuster zweier in kilometerlangen Röhren laufenden Laserstrahlen durch diese subtilen Stauchungen und Dehnungen verändert. Der größte Teil der bisher detektierten Gravitationswellen-Ereignisse stammt von der Verschmelzung zweier weit entfernter stellarer Schwarzer Löcher. Einige Ereignisse gingen aber auch auf die Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder ungleiche Kollisionen von Neutronenstern und Schwarzem Loch zurück. Dank immer neuer Fortschritte in der Technik der Gravitationswellendetektoren heben sich die schwachen Signale inzwischen immer deutlicher vom Grundrauschen ab und verraten anhand ihrer Wellenmerkmale mehr Details über das Ereignis.

Verschmelzung mit Obertönen

Dies zeigt sich auch beim aktuell von der LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration berichteten Durchbruch. Das Gravitationswellen-Ereignis GW250114 wurde am 14. Januar 2025 von den beiden Detektoren des LIGO-Gravitationswellen-Observatoriums in den USA eingefangen. Urheber des Signals waren zwei rund 32 Sonnenmassen schwere Schwarze Löcher in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung. „Dieses neue Paar Schwarzer Löcher ist damit fast ein Zwilling des historischen ersten Gravitationswellen-Nachweises von 2015“, sagt Maximiliano Isi von der Columbia University in New York. „Aber unsere Instrumente sind inzwischen so viel besser, so dass wir das Signal heute auf eine Weise analysieren konnten, die vor zehn Jahren noch nicht möglich war.“ So detektierte LIGO die Raumzeiterschütterungen mit einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 80 zu eins – viermal besser als beim ersten Gravitationswellen-Ereignis von 2015. „GW250114 ist das lauteste Ereignis, das wir jemals eingefangen haben – vergleichbar einem lauten Ruf gegenüber dem anfänglichen Flüstern“, erklärt Geraint Pratten von University of Birmingham.

Dank dieser Klarheit und mithilfe einer von Isi und seinem Team vor einigen Jahren entwickelten Methode ist es den Physikern erstmals gelungen, nicht nur die Raumzeit-Wellen der sich annähernden Schwarzen Löcher genau zu vermessen, sondern auch das Nachklingen des aus der Verschmelzung resultierenden Schwarzen Lochs. Die Signale dieses Nachklingens halten nur wenige Millisekunden an und sind an speziellen „Obertönen“ des Signals erkennbar. „Zehn Millisekunden sind sehr kurz, aber unsere Instrumente sind inzwischen so gut, dass dies ausreicht, um das Schwingen des resultierenden Schwarzen Lochs zu analysieren“, erklärt Isi. „Mit der neuen Detektion haben wir eine außerordentlich detaillierte Sicht des Signals – sowohl vor als auch nach der Verschmelzung.“ Dies verriet unter anderem, dass das resultierende Schwarze Loch rund 63 Sonnenmassen schwer ist und sich 100-mal pro Sekunde um sich selbst dreht.

Hawking-Flächentheorem und Kerr-Metrik bestätigt

Die an GW250114 ablesbaren Merkmale haben es dem Team der Forschenden der LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration nun ermöglicht, zwei grundlegende Theorien zu Schwarzen Löchern zu überprüfen und anhand der Beobachtungen zu bestätigen. Die erste Theorie stammt vom 2018 verstorbenen britischen Physiker Stephen Hawking – einem Vorreiter der Erforschung Schwarzer Löcher. Er hatte 1971 postuliert, dass die vom Ereignishorizont umschlossene Fläche zweier kollidierender Löcher nach ihrer Verschmelzung immer größer oder mindestens gleich sein muss. Sie kann beim resultierenden Schwarzen Loch niemals kleiner sein. Grund dafür ist, dass die Fläche des Schwarzen Lochs proportional zu seiner Entropie ist – und diese muss nach den Gesetzen der Thermodynamik zunehmen. Das Gravitationswellen-Ereignis GW250114 erlaubte es Isi und seinen Kollegen nun, diese Flächen genauer als zuvor zu vermessen. Dies ergab: Vor der Verschmelzung umschlossen die beide Ereignishorizonte der Schwarzen Löcher eine Fläche von rund 240.000 Quadratkilometern – etwa die Fläche Großbritanniens. Das aus der Verschmelzung resultierende Schwarze Loch hatte eine Fläche von rund 400.000 Quadratkilometern. „Damit bestätigen die Daten diese Vorhersage von Stephen Hawking“, so Pratten.

Die zweite anhand der neuen Daten bestätigte Theorie stammt vom neuseeländischen Mathematiker Roy Kerr. Dieser hatte 1963 aufbauend auf Einsteins Feldgleichungen ein physikalisch-mathematisches System entwickelt, das die Raumzeitgeometrie im Umfeld eines rotierenden Schwarzen Loches beschreibt. Die Kerr-Metrik erklärt unter anderem, wie Raumzeit und Licht durch das Schwarze Loch verzerrt werden, erlaubt aber auch eine genauere Vermessung Schwarzer Löcher. Eine Kernaussage der Kerr’schen Gleichungen ist es, dass ein Schwarzes Loch ein physikalisch einfaches Objekt ist, das sich durch nur zwei Parameter charakterisieren lässt: seine Masse und seine Rotation (Spin). Die jetzt erstmals in dieser Klarheit eingefangenen Schwingungen des resultierenden Schwarzen Lochs verraten diese Parameter und erlaubten so auch die Überprüfung der Kerr-Metrik. „Zum ersten Mal konnten wir zwei Obertöne aus dem Signal des Schwarzen Lochs herauspicken und bestätigen, dass sie sich genauso verhalten, wie es Kerr vorhergesagt hat“, sagt Gregorio Carullo von der University of Birmingham. „Dies liefert den beispiellos eindeutigen Beleg dafür, dass Schwarze Löcher der Kerr-Metrik folgen.“

Zehn Jahre nach dem ersten Nachweis eines Gravitationswellen-Ereignisses konnten damit zwei wichtige Theorien zu den Eigenheiten Schwarzer Löcher bestätigt werden. „Dieses Fachgebiet beruhte so lange auf rein mathematischer und theoretischer Spekulation“, sagt Isi. „Aber jetzt sind wir in der Lage, diese erstaunlichen Prozesse in Aktion zu beobachten. Dies unterstreicht, welche großen Fortschritte es in diesem Feld gegeben hat – und weiter geben wird.“ So ist bereits geplant, einen weiteren LIGO-Detektor in Indiana zu bauen. Zudem gibt es Pläne für einen noch größeren Detektor, Cosmic Explorer, dessen Messarme 40 Kilometer lang sein sollen – bei den LIGO-Detektoren laufen die Messlaser durch zwei vier Kilometer lange Tunnel. In Europa soll ein für die Zukunft geplantes „Einstein Teleskop“ zehn Kilometer lange Messarme bekommen.

Quelle: LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, Physical Review Letters, doi: 10.1103/kw5g-d732

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