Einsteins Schwarze Löcher sind „kahl“: Forscher suchen jetzt nach Haaren
Schwarze Löcher gelten nach Einstein als „kahl“. Forschende zeigen nun, welches Muster zusätzliche Materie im Ringdown von Gravitationswellen hinterlassen könnte.
Wird ein Schwarzes Loch gestört, sendet es Gravitationswellen aus, die mit der Zeit abklingen – ein Signal, das als „Ringdown“ bezeichnet wird. Diese Wellen könnten verborgene Materie in der Nähe offenbaren. Forscher fanden heraus, dass diese verborgene Materie die Frequenz und die Abklinggeschwindigkeit in unterschiedlichem Maße verändern würde. Dies würde die Wellen auf charakteristische Weise verändern und Wissenschaftlern einen neuen Ansatz bieten, Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu überprüfen.
Foto: Ariadna Uxue Palomino Ylla, Nagoya University , Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie sind Schwarze Löcher erstaunlich schlicht. Doch zusätzliche Materiefelder oder bislang unbekannte Physik könnten Spuren hinterlassen. Forschende der Universität Nagoya haben nun berechnet, wie sich solche „Haare“ im Nachklang kollidierender Schwarzer Löcher bemerkbar machen könnten. Auffällig wäre vor allem, wenn sich Frequenz und Abklingzeit der Gravitationswellen unterschiedlich verändern. Beobachtet wurde ein solcher Effekt bislang nicht.
Schwarze Löcher gehören zu den extremsten Objekten des Universums – und sollen gleichzeitig erstaunlich wenige Eigenschaften besitzen. Ein isoliertes, elektrisch praktisch neutrales Schwarzes Loch lässt sich nach der Allgemeinen Relativitätstheorie im Wesentlichen durch seine Masse und seine Rotation beschreiben. Für ein solches Objekt liefert die Kerr-Lösung der Einstein-Gleichungen das Standardmodell.
Physiker sprechen deshalb gerne davon, dass Schwarze Löcher „keine Haare“ besitzen. Gemeint ist: Sie sollen keine zusätzlichen von außen messbaren Eigenschaften tragen, die über die wenigen Parameter des klassischen Modells hinausgehen.
Doch was wäre, wenn die Wirklichkeit komplizierter ist? Eine Forschungsgruppe um Ariadna Uxue Palomino Ylla von der Universität Nagoya hat untersucht, welche Spuren zusätzliche Materie oder Abweichungen von der üblichen Kerr-Geometrie im Gravitationswellensignal hinterlassen könnten. Die Studie „Ringdown waves from hairy black holes“ ist im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics erschienen.
Inhaltsverzeichnis
Schwarze Löcher verraten sich durch ihren Nachklang
Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, entsteht zunächst ein stark gestörtes neues Schwarzes Loch. Es geht nicht sofort in einen ruhigen Zustand über, sondern sendet noch für kurze Zeit charakteristische Gravitationswellen aus. Diese Phase heißt Ringdown.
Die Schwingungen besitzen bestimmte Frequenzen und klingen mit charakteristischen Geschwindigkeiten ab. Fachleute sprechen von quasinormalen Moden. Folgt das entstandene Schwarze Loch der Kerr-Lösung, hängen diese Eigenschaften von seiner Masse und seinem Spin ab.
Wie sich der Ringdown grundsätzlich nutzen lässt, um Einsteins Relativitätstheorie zu testen, haben wir bereits ausführlicher beschrieben: Was Schwarze Löcher nach ihrer Kollision über Einstein verraten. Die neue Arbeit setzt einen Schritt später an. Sie fragt, welches Muster entstehen würde, wenn neben dem klassischen Schwarzen Loch noch etwas Zusätzliches die Raumzeit beeinflusst.
Was mit den „Haaren“ gemeint ist
Der Begriff ist dabei weiter gefasst, als die bekannte No-Hair-Idee zunächst vermuten lässt. „Black hole hair“ kann in solchen theoretischen Untersuchungen beispielsweise zusätzliche Felder, Materieverteilungen oder Abweichungen von der klassischen Schwarzschild- beziehungsweise Kerr-Geometrie bezeichnen. Das bedeutet nicht automatisch, dass Materie direkt am Ereignishorizont sitzt oder das klassische No-Hair-Theorem widerlegt ist.
Für ihre Berechnungen modellieren die Forschenden den zusätzlichen Einfluss als sogenanntes anisotropes Fluid. Bei einem solchen Modell können sich der Druck in radialer Richtung und der Druck quer dazu unterscheiden. Es ist vor allem ein mathematisches Werkzeug, mit dem sich unterschiedliche mögliche Materieverteilungen oder neue physikalische Effekte beschreiben lassen.
Das Team fügt diesen Einfluss als kleine Störung zu den bekannten Lösungen für Schwarze Löcher hinzu. Gesucht wird anschließend danach, wie sich dadurch die charakteristischen Ringdown-Frequenzen verschieben.
Frequenz und Dämpfung reagieren nicht gleich
Dabei zeigt sich ein auffälliges Muster. Zusätzliche Materie verändert die Frequenz der Schwingungen und ihre Dämpfung nicht zwangsläufig im gleichen Verhältnis. Die Frequenz gibt vereinfacht gesagt an, wie schnell die Raumzeit schwingt. Die Dämpfungsrate beschreibt, wie schnell diese Schwingung wieder verschwindet.
In den Berechnungen hängt die Veränderung der Dämpfung zusätzlich von der Materieverteilung ab. Bei statischen, kugelsymmetrischen Modellen tauchen dabei insbesondere die lokale Energiedichte und der tangentiale Druck in der Umgebung der instabilen Photonenbahn auf.
Das eröffnet zumindest theoretisch eine interessante Möglichkeit: Weichen Frequenz und Dämpfung eines später gemessenen Ringdowns auf unterschiedliche Weise von den Kerr-Vorhersagen ab, könnten die Abweichungen Informationen darüber enthalten, wodurch die zusätzliche Veränderung der Raumzeit verursacht wird.
„Die Ringdown-Wellen könnten nicht nur zeigen, dass etwas Zusätzliches das Schwarze Loch beeinflusst. Die Art, wie sich das Signal verändert, könnte uns auch Hinweise darauf geben, wie diese verborgene Materie beschaffen ist“, erklärt Erstautorin Palomino Ylla.
Lichtbahnen helfen bei der Berechnung
Die Forschenden lösen dafür nicht für jedes Modell sämtliche Wellengleichungen neu. Grundlage ist eine bekannte Beziehung zwischen den quasinormalen Moden und instabilen Lichtbahnen nahe eines Schwarzen Lochs.
Photonen können das Schwarze Loch in einem bestimmten Bereich auf instabilen Bahnen umkreisen. Schon eine kleine Störung entscheidet darüber, ob sie nach außen entkommen oder in das Schwarze Loch stürzen.
Im sogenannten Eikonal-Limes lassen sich Eigenschaften dieser Photonenbahnen mit den quasinormalen Moden verknüpfen. Die Umlauffrequenz hängt mit dem schwingenden Anteil des Ringdowns zusammen, die Instabilität der Bahn mit dessen Dämpfung.
Andere mathematische Verfahren zur Berechnung der „Klingeltöne“ Schwarzer Löcher waren bereits Gegenstand eines ingenieur.de-Beitrags: Wenn das All vibriert: Neue Signale Schwarzer Löcher entschlüsselt
Drei theoretische Schwarze Löcher als Test
Das Team wandte die Formeln zunächst auf drei bekannte theoretische Modelle an: Bardeen-, Hayward- und Kiselev-Schwarze-Löcher. Bardeen- und Hayward-Geometrien gehören zu Modellen sogenannter regulärer Schwarzer Löcher, bei denen die klassische Singularität im Inneren vermieden werden soll. Die Kiselev-Lösung beschreibt dagegen ein Schwarzes Loch, das von einem anisotropen Fluid umgeben ist.
An diesen Modellen zeigen die Forschenden, dass ihre Formeln unterschiedliche Veränderungen der Frequenz und der Dämpfung reproduzieren können. Anschließend erweiterten sie die Betrachtung auf rotierende Schwarze Löcher. Dabei wird die Situation komplizierter. Lichtbahnen, die in Rotationsrichtung verlaufen, verhalten sich anders als solche, die dem Spin entgegenlaufen. Entsprechend unterscheiden sich auch die berechneten Verschiebungen des Ringdowns.
Noch kein Verfahren für beliebige Ringdown-Signale
Die Methode hat allerdings noch Grenzen. Sie nutzt eine bekannte Verbindung zwischen den Lichtbahnen nahe eines Schwarzen Lochs und dessen Ringdown-Signal. Besonders zuverlässig funktioniert diese Näherung für bestimmte, eher hochfrequente Schwingungsmoden.
Bei nicht rotierenden Schwarzen Löchern liefert der Ansatz nach Angaben der Autoren auch für niedrigere Moden ab etwa (l=4) noch brauchbare Ergebnisse. Schwieriger wird es bei rotierenden Schwarzen Löchern. Hier lässt sich die Beziehung nur auf bestimmte Bahnen und Schwingungsmoden anwenden.
Für reale Messungen ist das ein wichtiger Punkt. In Gravitationswellensignalen spielt vor allem die dominante (l=m=2)-Mode eine große Rolle. Genau für solche besonders wichtigen Moden ist die neue Methode bislang nicht allgemein ausgelegt.
Die Formeln sind deshalb noch kein fertiges Werkzeug, mit dem sich heutige Ringdown-Signale einfach nach „Haaren“ Schwarzer Löcher durchsuchen lassen. Sie zeigen vielmehr, nach welchen Veränderungen Forschende in künftigen, präziseren Messungen suchen könnten.
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