Schwarze Löcher kollidieren offenbar deutlich häufiger, als Forschende noch vor wenigen Jahren vermutet hatten. Die internationale LVK-Kollaboration hat jetzt 161 neue Gravitationswellensignale veröffentlicht. Damit steigt die Zahl bestätigter Ereignisse auf insgesamt 390. Was vor zehn Jahren noch als wissenschaftliche Sensation galt, entwickelt sich zunehmend zu einer datenreichen neuen Form der Astronomie.
Die neuen Messungen liefern nicht nur weitere Nachweise verschmelzender Schwarzer Löcher. Einige Signale gelten als außergewöhnlich präzise. Andere deuten darauf hin, dass manche Schwarze Löcher selbst aus früheren Kollisionen entstanden sein könnten. Zudem helfen die Daten dabei, eine der wichtigsten offenen Fragen der Kosmologie besser zu verstehen: Wie schnell dehnt sich das Universum tatsächlich aus?
Die Daten stammen aus dem neuen „Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0“ (GWTC-5). Grundlage sind Messungen der Gravitationswellendetektoren LIGO in den USA, Virgo in Italien und KAGRA in Japan. Gemeinsam bilden sie die sogenannte LVK-Kollaboration.
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Winzige Erschütterungen der Raumzeit
Gravitationswellen entstehen, wenn extrem massereiche Objekte beschleunigt werden. Typische Quellen sind kollidierende Schwarze Löcher oder Neutronensterne. Die dabei entstehenden Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit durch die Raumzeit aus.
Die Messung ist technisch extrem anspruchsvoll. Die Detektoren registrieren minimale Verzerrungen der Raumzeit. Die Veränderungen sind kleiner als der Durchmesser eines Atomkerns. Um solche Signale überhaupt erkennen zu können, müssen Störungen aus der Umgebung nahezu vollständig herausgerechnet werden. Schon kleine Vibrationen durch Verkehr, Wind oder Erdbeben können die Messungen beeinflussen.
Die Anlagen wurden in den vergangenen Jahren deutlich empfindlicher. Dadurch erkennen Forschende heute Ereignisse, die Milliarden Lichtjahre entfernt stattfinden. Dr. Daniel Williams vom Institut für Gravitationsforschung der Universität Glasgow sagt: „Vor gerade einmal zehn Jahren haben wir zum ersten Mal Gravitationswellen von einem solchen Ereignis nachgewiesen.“ Heute erfassen die Detektoren laut LVK-Kollaboration bereits regelmäßig drei bis vier Signale pro Woche.
Das bislang klarste Gravitationssignal
Besonders viel Aufmerksamkeit erhält ein Ereignis mit der Bezeichnung GW250114. Es gilt als das bislang klarste gemessene Gravitationswellensignal. Sein Signal-Rausch-Verhältnis lag bei 76,9. Damit ließ sich das Ereignis ungewöhnlich präzise analysieren.
Die Ursache war die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit etwa 32 und 34 Sonnenmassen. Die Kollision ereignete sich mehr als eine Milliarde Lichtjahre entfernt. Trotzdem erreichte das Signal die Erde außergewöhnlich deutlich.
Die Daten erlaubten unter anderem besonders genaue Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Außerdem bestätigten sie erneut das sogenannte Flächentheorem von Stephen Hawking. Vereinfacht besagt es, dass die Gesamtfläche von Schwarzen Löchern nach einer Verschmelzung nicht kleiner werden darf.
Dr. John Veitch erklärt: „Nach der Verschmelzung schwingt das resultierende Schwarze Loch wie eine Glocke und sendet Gravitationswellen anstelle von Schall aus.“
Hinweise auf Schwarze Löcher der zweiten Generation
Zwei weitere Ereignisse sorgen ebenfalls für Aufmerksamkeit: GW241011 und GW241110. Forschende vermuten, dass dabei sogenannte Schwarze Löcher der zweiten Generation beteiligt waren.
Dabei handelt es sich um Schwarze Löcher, die möglicherweise selbst bereits aus früheren Verschmelzungen entstanden sind. Hinweise darauf liefern vor allem die gemessenen Rotationen der Objekte. Einige Schwarze Löcher drehen sich ungewöhnlich schnell oder besitzen auffällige Spin-Ausrichtungen.
Solche Systeme könnten in besonders dichten Regionen des Universums entstehen, etwa in Sternhaufen. Dort treffen Schwarze Löcher häufiger aufeinander und verschmelzen wiederholt. Die neuen Daten deuten darauf hin, dass solche Prozesse möglicherweise häufiger vorkommen als bisher angenommen.
Gravitationswellen helfen beim Blick auf die Expansion des Universums
Die Messungen liefern nicht nur neue Erkenntnisse über Schwarze Löcher. Sie helfen auch dabei, die sogenannte Hubble-Konstante genauer zu bestimmen. Dieser Wert beschreibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt.
Bis heute liefern verschiedene Messmethoden unterschiedliche Ergebnisse. Genau diese Abweichungen gehören zu den größten offenen Problemen der modernen Kosmologie.
Alex Papadopoulos von der Universität Glasgow erklärt: „Gravitationswellen ermöglichen es uns, diese zu messen, indem wir abschätzen, wie weit entfernte Objekte sind.“
Ein Vorteil der aktuellen Messkampagne liegt darin, dass Virgo wieder vollständig beteiligt war. Dadurch konnten Forschende die Herkunft vieler Signale deutlich präziser bestimmen. Bei einem Ereignis namens GW240615 gelang sogar die bislang genaueste Lokalisierung einer Gravitationswellenquelle. Die Quelle ließ sich auf einen Bereich von nur sechs Quadratgrad am Himmel eingrenzen. Für astronomische Beobachtungen ist das ungewöhnlich präzise.
Aus einzelnen Entdeckungen werden Datensätze
Die Gravitationswellenforschung verändert sich dadurch spürbar. Anfangs stand jedes einzelne Signal im Mittelpunkt. Inzwischen entstehen große Datensammlungen, aus denen sich Muster ableiten lassen.
Storm Colloms vom Institut für Gravitationsforschung sagt: „Diese Hunderte von Beobachtungen ermöglichen es uns, die Massen, Spins und Entfernungen von binären Schwarzen Löchern zuverlässig zu messen.“
Forschende erkennen inzwischen Unterschiede zwischen verschiedenen Gruppen Schwarzer Löcher. Manche Systeme besitzen deutlich andere Rotationen oder Massenverteilungen als andere. Das deutet darauf hin, dass Schwarze Löcher auf mehreren Wegen entstehen können. Mit jeder neuen Beobachtung wächst damit nicht nur die Zahl der bekannten Ereignisse. Auch das Verständnis darüber, wie Schwarze Löcher entstehen und wie sich das Universum entwickelt, wird Schritt für Schritt genauer.
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