Das Universum hat einen beispiellosen Einblick in den kataklysmischen Tanz Schwarzer Löcher geboten: Astronomen haben eine Kollision so präzise detailliert detektiert, dass sie den bislang klarsten Beweis für langjährige Vorhersagen von Albert Einstein und Stephen Hawking liefert. Dieses einzigartige Ereignis, identifiziert als GW250114, demonstriert die bemerkenswerte Entwicklung der Gravitationswellenastronomie und erweitert unser Verständnis des Raum-Zeit-Gefüges erheblich.
Die Detektion von GW250114 im Januar durch das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), bestehend aus zwei baugleichen Instrumenten in Livingston, Louisiana, und Hanford, Washington, markierte einen bedeutenden Meilenstein. Die hochentwickelten Sensoren von LIGO registrierten die schwachen Kräuselungen in der Raumzeit – Gravitationswellen –, die entstanden, als zwei kolossale Schwarze Löcher verschmolzen. Diese Wellen, die Einstein 1915 als Folge seiner allgemeinen Relativitätstheorie erstmals vorhersagte, galten einst als zu subtil, um jemals von menschlicher Technologie entdeckt zu werden. Ihre erstmalige Beobachtung im Jahr 2015, die den Hauptbeteiligten einen Nobelpreis einbrachte, revolutionierte jedoch das Feld und verwandelte LIGO in ein „Schwarzes-Loch-Teleskop“, das Phänomene aufdecken kann, die zuvor unerreichbar waren.
Maximiliano Isi, Assistenzprofessor für Astronomie an der Columbia University und Astrophysiker am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute, der eine neue Studie zu den GW250114-Daten für die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration leitete, beschrieb das Ereignis in einer führenden wissenschaftlichen Fachzeitschrift. Die verschmelzenden Schwarzen Löcher besaßen jeweils eine Masse, die etwa dem 30- bis 35-fachen unserer Sonne entsprach, und umkreisten sich in einem nahezu perfekten Kreis in etwa einer Milliarde Lichtjahren Entfernung. Das daraus entstandene Schwarze Loch mit einer Masse von etwa 63 Sonnenmassen wurde dabei beobachtet, wie es sich mit erstaunlichen 100 Umdrehungen pro Sekunde drehte. Diese Kollision spiegelte die Eigenschaften der ersten Gravitationswellendetektion ein Jahrzehnt zuvor wider, doch verbesserte Instrumente lieferten eine Klarheit, die es den Wissenschaftlern ermöglichte, die Verschmelzung mit beispielloser Präzision zu beobachten.
Bestätigung grundlegender Theorien
Die verbesserte Auflösung des GW250114-Signals ermöglichte es Astronomen, entscheidende, bereits vor Jahrzehnten gemachte Vorhersagen zu bestätigen. Eine solche Bestätigung betrifft Kerrs Vorhersage aus dem Jahr 1963, eine Erweiterung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die besagt, dass Schwarze Löcher paradoxerweise einfache Objekte sind, die vollständig durch nur zwei grundlegende Eigenschaften beschrieben werden können: Masse und Rotation. Um dies zu testen, analysierten die Forscher das „Klingeln“ oder die Schwingung, die das endgültige Schwarze Loch nach der Verschmelzung erzeugte, ähnlich dem Klang einer angeschlagenen Glocke. Dieses Klingeln enthält komplexe Informationen über die Struktur des Schwarzen Lochs. Zum ersten Mal lieferte GW250114 ein Signal mit deutlichen „zwei Moden – einer Grundmode und einem Oberton“, was überzeugende Beweise dafür liefert, dass das beobachtete Schwarze Loch der Zwei-Parameter-Beschreibung entspricht.
Eine weitere tiefgreifende Bestätigung, die aus GW250114 abgeleitet wurde, betraf den 1971 formulierten Oberflächensatz des britischen Physikers Stephen Hawking. Dieser Satz besagt, dass, wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, die kumulative Oberfläche der Ereignishorizonte des resultierenden Schwarzen Lochs gleich oder größer sein muss als die Summe der Oberflächen der ursprünglichen Schwarzen Löcher. Während frühere LIGO-Beobachtungen vorläufige Unterstützung lieferten, verlieh die außergewöhnliche Klarheit dieses neuen Signals den Wissenschaftlern beispielloses Vertrauen. Forscher konnten die einzelnen Flächen der getrennten Schwarzen Löcher aus dem frühen Teil des Signals genau ableiten und dann die Fläche des endgültig verschmolzenen Schwarzen Lochs aus dem späteren Signal präzise messen, wodurch die Gültigkeit des Satzes eindeutig bewiesen wurde. Kip Thorne, Nobelpreisträger für seine Beiträge zu LIGO, bemerkte, dass Hawking selbst einen solchen Test mit Spannung erwartet hatte.
Implikationen für die Grundlagenphysik
Die Bestätigung dieser wegweisenden theoretischen Arbeiten durch fortschrittliche Instrumente unterstreicht deren anhaltende Bedeutung. Isi betonte, dass die Überprüfung von Hawkings Theorem tiefgreifende Implikationen für eines der schwer fassbarsten Ziele der Physik haben könnte: die Vereinigung der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Gravitation auf kosmischen Skalen beschreibt, mit der Quantenmechanik, die den subatomaren Bereich regiert. Die Operationen von LIGO haben effektiv einen völlig neuen Zweig der Astronomie eingeleitet und die Wahrnehmung kompakter Objekte, insbesondere Schwarzer Löcher, grundlegend neu gestaltet. Vor LIGO war das Konzept der Verschmelzung Schwarzer Löcher spekulativ; jetzt ist es eine gut beobachtete Realität.
Experten außerhalb der Studie bestätigten den immensen wissenschaftlichen Wert dieser Ergebnisse. Emanuele Berti, Professor für Physik und Astronomie an der Johns Hopkins University, charakterisierte LIGO-Detektoren als „Hörgeräte“, die erheblich verfeinert wurden und es Wissenschaftlern ermöglichen, Gravitationswellensignale mit weitaus größerer Klarheit zu „hören“. Diese Verfeinerung, erklärte er, ermöglicht die rigorose Prüfung grundlegender Gravitationsprinzipien, die zuvor unzugänglich waren. Leor Barack, Professor für mathematische Physik an der University of Southampton, beschrieb GW250114 als „besonders spektakulär“ unter den über 300 aufgezeichneten Verschmelzungen Schwarzer Löcher und hob die erfolgreiche Extraktion von zwei „reinen Tönen“ aus dem verbleibenden Schwarzen Loch hervor – einem Primärton und, entscheidend, der ersten klaren Extraktion eines „Obertons“. Macarena Lagos, Assistenzprofessorin am Institut für Astrophysik der Universidad Andrés Bello, betonte ferner, dass GW250114 nicht nur den Erfolg der kontinuierlichen Verbesserungen von LIGO demonstriert, sondern auch eine robuste Grundlage für zukünftige, noch präzisere Gravitationswellenbeobachtungen schafft. Diese bevorstehenden Detektionen versprechen, unser Verständnis von Raumzeit und Gravitation mit beispielloser Genauigkeit zu verfeinern.