Auch Schwarze Löcher! Gravitationswellenfund hatte andere Überraschungen

Zwei Schwarze Löcher, die sich umkreisen

Das Konzept eines Künstlers von zwei schwarzen Löchern, die einander umkreisen, bevor sie sich verschmelzen. Zum ersten Mal in der Geschichte haben Wissenschaftler mit dem Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern direkt beobachtet. (Bildnachweis: NASA)



Zum ersten Mal in der Geschichte haben Wissenschaftler physikalische Beweise dafür, dass Paare von Schwarzen Löchern manchmal umeinander kreisen, kollidieren und sich zu einem einzigen, größeren Schwarzen Loch zusammenfügen.



Diese Nachricht über die Erkennung von Binärpaaren ist für Astrophysiker äußerst bedeutsam, wurde jedoch durch die einfache Tatsache, dass das Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) erkannte Gravitationswellen überhaupt. Es war der erste direkte Nachweis dieser Wellen durch die Raumzeit und markiert den Beginn eines neuen Teilgebiets der Astronomie.

Vicky Kalogera, Wissenschaftlerin für Schwarze Löcher an der Northwestern University in Illinois und Mitglied des LIGO-Teams, sagte, es sei angemessen, dass Gravitationswellen letzte Woche im Mittelpunkt standen. Aber sie nahm sich etwas Zeit, um mit guesswhozoo.com darüber zu sprechen, warum das Paar schwarzer Löcher, das LIGO entdeckt hat, auch besonders seltsam und aufregend ist. [ Gerührt, nicht geschüttelt - Wie kollidierende Schwarze Löcher Wellen schlagen ]



Mit Laserstrahlen haben Wissenschaftler die physikalischen Verzerrungen entdeckt, die durch passierende Gravitationswellen verursacht werden. Sehen Sie in dieser guesswhozoo.com-Infografik, wie das LIGO-Observatorium Gravitationswellen jagt.

Mit Laserstrahlen haben Wissenschaftler die physikalischen Verzerrungen entdeckt, die durch passierende Gravitationswellen verursacht werden. Sehen Sie in dieser guesswhozoo.com-Infografik, wie das LIGO-Observatorium Gravitationswellen jagt.(Bildnachweis: Von Karl Tate, Infografik-Künstler)

Noch eine Premiere

Es gibt zwei Dinge, die das von LIGO entdeckte Paar Schwarzer Löcher für Astrophysiker wie Kalogera interessant machen.



Einer der Wege, auf denen sich Schwarze Löcher im Universum bilden sollen, ist der Sternentod. Die Hypothese besagt, dass, wenn massereiche Sterne aufhören, Treibstoff zu verbrennen, ihre gesamte Masse auf einen sehr kleinen Bereich kollabiert und ein Objekt mit einer so massiven Anziehungskraft erzeugt, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Die Schwerkraft ist so stark, dass die Gesetze der Physik, wie sie der Mensch versteht, zusammenbrechen.

Einzelne Schwarze Löcher wurden auf verschiedene Weise beobachtet, aber bis letzte Woche gab es keinen physikalischen Beweis dafür, dass Schwarze Löcher als binäre Paare existieren können, die sich umkreisen und schließlich kollidieren.

'Wir sehen ständig Doppelsterne', sagte Kalogera gegenüber guesswhozoo.com. Es sollte folgen, dass diese Sternpaare eines Tages sterben und Schwarze-Loch-Paare bilden sollten. Und doch „bis jetzt hatten wir keine experimentellen Beweise, auch keine indirekten, dafür, dass binäre Schwarze Löcher existieren. … Die Bedeutung dieser Entdeckung aus astrophysikalischer Sicht besteht also darin, dass sie alle theoretischen Vorhersagen über die Existenz von binären Schwarzen Löchern bestätigt.“



Ohne einen Gravitationswellendetektor wie LIGO hätten Wissenschaftler niemals binäre Schwarze Löcher studieren können. Forscher können einzelne Schwarze Löcher an weit entfernten Orten erkennen, weil das Material um diese Objekte herum beschleunigt wird und Licht ausstrahlt.

Aber Kalogera sagte, dass Wissenschaftler nicht erwarten, dass irgendeine Art von Licht aus der Umgebung ausgestrahlt wird zwei schwarze Löcher sich aufeinander zu drehen und kollidieren, weil die Dynamik des Systems sehr chaotisch wäre und der Ansammlung von Material und dem Verbleib in der Nähe nicht sehr förderlich wäre. Daher kann es unmöglich sein, sie mit lichtbasierten Teleskopen zu entdecken.

Die Tatsache, dass der kürzlich aktualisierte LIGO-Detektor eine Verschmelzung eines binären Schwarzen Lochs so früh im Beobachtungszeitraum des Instruments entdeckte, bedeutet, dass Wissenschaftler wird viele Daten zu Schwarzen Löchern zu studieren haben in den kommenden Jahren.

Fette Schwarze Löcher und wie sie entstehen

Das zweite wirklich interessante Merkmal des Schwarzen-Loch-Duos ist ihre Masse.

Die von der LIGO-Kollaboration entdeckten kollidierenden Schwarzen Löcher haben die 29- bzw. 36-fache Masse der Sonne. Dies sind bei weitem nicht die massereichsten Schwarzen Löcher, die jemals entdeckt wurden. Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße zum Beispiel hat mehr als das 4 Millionenfache der Sonnenmasse. Die massereichsten Schwarzen Löcher im Universum scheinen ungefähr zu sein 12 Milliarden Mal die Masse der Sonne. Es ist immer noch ein Rätsel, wie sich diese außergewöhnlich massereichen Schwarzen Löcher bilden.

Mit Röntgenteleskopen haben Wissenschaftler identifizierte Schwarze Löcher die sich aus Sternen gebildet zu haben scheinen, die der Erdsonne ähnlich sind, aber Kalogera sagte, dass diese schwarzen Löcher eine maximale Masse von etwa dem 20-fachen der Sonnenmasse erreichen. Schwarze Löcher mit 29- und 36-facher Sonnenmasse sind etwas schwer zu erklären.

„Die 29 und über 30 Sonnenmassen sind eine ungewöhnliche Überraschung. Wenn man sich die meisten Doppelsterne in der Galaxie [der Milchstraße] ansieht, erwarten wir angesichts der Zusammensetzung der Sterne keine Schwarzen Löcher dieser Masse“, sagte Kalogera. 'Die höhere Masse sagt uns, dass diese binären Schwarzen Löcher aus einer bestimmten Umgebung entstanden sind [mit einer] Metallizität, die sich von der Metallizität [der Sonne] unterscheidet.'

Metallizität bezieht sich auf den Anteil des Sterns, der nicht aus Wasserstoff oder Helium besteht, sondern aus schwereren Elementen besteht.

Eine höhere Konzentration von Wasserstoff und Helium ermöglicht es dem Stern, während seiner gesamten Lebensdauer mehr Masse beizubehalten, sagte Kalogera. Sterne verlieren kontinuierlich an Masse wegen Sternenwind , ein Fluss von Teilchen weg von der Atmosphäre eines Sterns. Aber in den letzten sieben oder acht Jahren haben Wissenschaftler ihre Theorien überarbeitet, um zu zeigen, dass Sternwinde schwächer sind als bisher angenommen.

'Wenn diese Winde sehr stark sind, haben Sie am Ende sehr kleine Endmassen und keine schweren Schwarzen Löcher', sagte Kalogera. „Ungefähr in den späten 2000er Jahren wurden Schätzungen zur Stärke der [Solar-]Winde revidiert. … Astrophysiker erkannten aus elektromagnetischen Beobachtungen, dass die Winde schwächer sind, als wir dachten. Wenn Sie nun also in Ihren Sternmodellen schwächere Winde einsetzen, sind Ihre endgültigen Massen schwerer, sodass Sie diese schweren Schwarzen Löcher in Ihren Modellen bilden können. … Inzwischen haben viele Gruppen diese Vorhersagen bestätigt.'

Die Entdeckung durch LIGO bestätigt diese Theorien weiter, aber dies ist nur der Anfang. Weitere Beobachtungen von Binärdateien von Schwarzen Löchern werden Wissenschaftlern helfen, ihre Modelle noch weiter zu verfeinern.

Eine wichtige Frage, sagte Kalogera, sie hoffe, dass Astrophysiker schließlich in der Lage sein werden, eine Antwort zu geben, ist, wie sich die Binärdateien von Schwarzen Löchern bilden. Es gibt zwei führende Modelle, die sie als „vanille“ und „verrückt“ bezeichnet.

Viele Sterne im Universum leben als Doppelsterne, weil Sterne in Gas- und Staubwolken geboren werden und diese Sternkindergärten normalerweise mehr als genug Material haben, um mehrere Sterne zu bilden.

Die „Vanille“-Beschreibung der Bildung binärer Schwarzer Löcher beginnt mit einem glücklichen, stabilen Paar normaler Sterne, die ihr Leben in relativer Ruhe leben. Sie wachsen zusammen auf, sie werden alt, sie explodieren beide zu Supernovae und kollabieren dann zu schwarzen Löchern. Danach halten sie zusammen und verschmelzen schließlich.

Die „verrückte“ Idee ist etwas chaotischer.

'Sie tanzen im Grunde in einem Wirbel von Sternen, fliegen herum und manchmal können [die Sterne] durch Rückstöße einige der anderen Sterne aus dem Haufen schießen', sagte Kalogera.

Es könnte also sein, dass sich binäre Schwarze Löcher aus Sternen bilden, die nicht im selben Wurf geboren wurden, aber waren aus ihrer ursprünglichen Heimat geschleudert . Oder diese komplizierten Wechselwirkungen könnten auch zu Szenarien führen, in denen sich mehrere neu gebildete Schwarze Löcher in Richtung Zentrum einer Sterngruppe bewegen können. Dort würden einige von ihnen ausgeworfen, während andere verbleiben und erst dann stabile Binärdateien bilden, nachdem sie zu Schwarzen Löchern geworden sind.

Mit einer größeren Stichprobe binärer Schwarzer Löcher von LIGO, sagte Kalegera, könnten die Wissenschaftler schließlich möglicherweise erkennen, welche Bildungsmethode im Universum vorherrscht.

'Wir werden in der Lage sein, zu sagen, ob verrückt gewinnt oder das Vanilla [Modell]', sagte sie.

Kalogera und die anderen Mitglieder der LIGO-Wissenschaftskollaboration veröffentlichten einen Artikel in Die Briefe des Astrophysikalischen Journals das beschreibt, was die Forscher bereits über das neu entdeckte Schwarze-Loch-Paar gelernt haben und wie es mit aktuellen Theorien zusammenpasst.

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