Was Schwarze Löcher nach ihrer Kollision über Einstein verraten
Forscher analysieren den Nachhall kollidierter Schwarzer Löcher. Künftige Detektoren könnten damit Einsteins Relativitätstheorie präziser denn je prüfen.
Künstlerische Darstellung der Kollision zweier Schwarzer Löcher beim Ereignis GW250114. Die dabei erzeugten Gravitationswellen wurden von den LIGO-Detektoren der US National Science Foundation registriert.
Foto: Aurore Simonnet (SSU/EdEon), LVK, URI; LIGO Collaboration
Wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren, endet das Ereignis nicht mit der Verschmelzung. Das neu entstandene Schwarze Loch ist zunächst stark verformt. Innerhalb kürzester Zeit nähert es sich einem stationären Zustand an. Dabei sendet es rasch abklingende Gravitationswellen aus – eine Art kosmischen Nachhall.
Genau dieser sogenannte Ringdown könnte zu einem der schärfsten Tests für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie werden. Eine internationale Gruppe von 68 Forschenden hat nun den Stand der Schwarze-Loch-Spektroskopie in einer umfangreichen Übersichtsarbeit zusammengetragen. Der 320 Seiten starke Review ist 2026 im Fachjournal Classical and Quantum Gravity erschienen.
Beteiligt waren unter anderem Forschende der Johns Hopkins University, der Universität Birmingham und des Instituto Superior Técnico in Lissabon. Die Fachleute fassen zusammen, was bereits gemessen werden kann, welche Unsicherheiten bestehen und was die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren leisten soll.
Schwarze Löcher schwingen in charakteristischen Moden
Während der Ringdown-Phase schwingt nicht das Schwarze Loch wie ein materieller Körper. Vielmehr verändert sich die gekrümmte Raumzeit um das Schwarze Loch. Dabei entstehen gedämpfte Schwingungen, die als quasinormale Moden bezeichnet werden.
Jede dieser Moden besitzt eine charakteristische Frequenz und eine bestimmte Abklingzeit. Unter der Annahme, dass das entstandene Schwarze Loch der Kerr-Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt, werden diese Werte allein durch seine Masse und seine Rotation bestimmt. Die Stärke der einzelnen Moden hängt dagegen auch davon ab, wie das Schwarze Loch entstanden und angeregt worden ist.
Das Prinzip ähnelt der Spektroskopie von Atomen oder der Analyse eines Musikinstruments: Ein einzelner Ton liefert bereits Informationen. Mehrere voneinander unabhängige Töne ermöglichen jedoch einen wesentlich strengeren Test.
Zunächst lässt sich aus einer gemessenen Mode auf Masse und Rotation des Schwarzen Lochs schließen. Einsteins Theorie legt damit zugleich fest, welche Frequenzen und Abklingzeiten weitere Moden besitzen müssten. Lassen sich zusätzliche Moden messen, können Forschende prüfen, ob alle Signale zu demselben Schwarzen Loch passen.
Genau darin liegt der Kern der Schwarze-Loch-Spektroskopie. Stimmen die unabhängig gemessenen Moden nicht mit den theoretischen Vorhersagen überein, könnte dies auf eine Grenze der Allgemeinen Relativitätstheorie hinweisen.
Eine solche Abweichung wäre allerdings noch kein Beleg für neue Physik. Zunächst müssten Messfehler, statistische Schwankungen, unvollständige Signalmodelle und Einflüsse aus der Umgebung des Schwarzen Lochs ausgeschlossen werden.
Bislang besteht Einstein jeden Test
Seit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 haben die Detektoren der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration zahlreiche Verschmelzungen kompakter Objekte registriert. Bei mehreren Ereignissen konnten Forschende auch den Ringdown des entstandenen Schwarzen Lochs untersuchen.
Besonders interessant sind Signale, in denen mehr als eine Schwingungsmode erkennbar ist. Beim Ereignis GW190521 fanden Forschende beispielsweise Hinweise auf zwei unterschiedliche Ringdown-Moden. Deren Frequenzen und Abklingzeiten stimmten mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein.
Bislang gibt es keinen belastbaren Ringdown-Befund, der Einsteins Theorie widerspricht. Die Übersichtsarbeit beschreibt deshalb keine bereits entdeckte Abweichung. Sie zeigt vielmehr, wie präzisere Messungen künftig nach solchen Abweichungen suchen könnten.
„Indem wir dem Ausklingen neu entstandener Schwarzer Löcher lauschen, machen wir Gravitationswellen zu einem Werkzeug, um einige der tiefgründigsten Fragen der Physik zu erforschen“, sagt Gregorio Carullo von der Universität Birmingham, einer der Leiter der Übersichtsarbeit.
Mehr als nur Grundtöne und Obertöne
Der Ringdown ist komplexer als eine einfache Folge sauber getrennter Töne. Der Review behandelt unter anderem höhere Schwingungsmoden und Obertöne, Wechselwirkungen zwischen Moden sowie nichtlineare Effekte, die unmittelbar nach der Verschmelzung auftreten können.
Hinzu kommen dynamisch angeregte Moden und lang nachlaufende Bestandteile des Gravitationswellensignals. Auch sogenannte Ausnahmepunkte werden untersucht. Dabei können sich unterschiedliche Moden annähern oder unter bestimmten Bedingungen ungewöhnlich miteinander wechselwirken.
Solche Effekte erschweren die Auswertung. Gleichzeitig enthalten sie zusätzliche Informationen über die Verschmelzung und den entstandenen Überrest. Um sie zuverlässig aus Messdaten herauszulösen, brauchen Forschende allerdings empfindlichere Detektoren und genauere theoretische Modelle.
Neue Observatorien sollen genauer hinhören
Große Erwartungen richten sich auf das geplante Einstein-Teleskop in Europa und den Cosmic Explorer in den USA. Beide bodengebundenen Observatorien sollen Gravitationswellen deutlich empfindlicher messen als die heutigen Anlagen.
Hinzu kommt LISA, eine Weltraummission der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Sie soll vor allem Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen erfassen, wie sie bei der Verschmelzung sehr massereicher Schwarzer Löcher entstehen.
Mit diesen Observatorien dürften Forschende erheblich mehr Ringdown-Signale mit hoher Signalqualität messen. Mehrere Schwingungsmoden könnten dann nicht mehr nur in einzelnen günstigen Fällen, sondern regelmäßig nachweisbar sein.
Das würde präzisere Aussagen über Masse, Rotation und Entstehungsgeschichte Schwarzer Löcher ermöglichen. Gleichzeitig könnten die Daten genutzt werden, um nach modifizierten Gravitationstheorien, bislang unbekannten Teilchen, Dunkler Materie oder Quanteneffekten nahe dem Ereignishorizont zu suchen.
Noch sind das Forschungsziele, keine Entdeckungen. Bisher hält Einsteins Theorie den Messungen stand. Die nächste Generation von Detektoren könnte den Ringdown jedoch zu einem Präzisionstest machen, wie er sich in keinem Labor auf der Erde durchführen lässt. Schwarze Löcher würden damit zu natürlichen Testfeldern für die Physik unter extremsten Bedingungen.
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