Simulation von zwei Schwarzen Löchern, die einander umkreisen, sich annähern und verschmelzen.
Bild: N. Fischer/H. Pfeiffer/A. Buonanno/MPI für Gravitationsphysik/ Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration

BerlinEs ist eine fantastische Vorstellung: Die Sonne und die Erde waren noch lange nicht geboren, da kollidierten irgendwo im Universum zwei Schwarze Löcher und verschmolzen. Sie lösten dabei eine Welle aus, die in Lichtgeschwindigkeit durchs All raste. Sie war bereits zweieinhalb Milliarden Jahre unterwegs, als sich aus einer Urwolke unser Sonnensystem zu entwickeln begann. Sie raste und raste, als auf der Erde die Saurier erschienen und wieder verschwanden. Sie raste während der Entwicklungszeit des Menschen. Und jetzt erst wurde sie aufgefangen, von einer hochfeinen Technologie, von Menschen entwickelt. Aus dem gerade mal eine Zehntelsekunde langen Signal können Forscher heute herauslesen, dass die beiden Schwarzen Löcher die 66-fache und die 85-fache Masse unserer Sonne besaßen und dass daraus ein Monstrum von 142 Sonnenmassen entstand.

Grafik: BLZ/Galanty

Es sei die massereichste Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die bislang beobachtet wurde, teilt das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam mit. Und sie sei auch die am längsten zurückliegende. Die Kollision der beiden Schwarzen Löcher ereignete sich, als das Universum halb so alt war wie heute.

Bei der aufgefangenen Welle handelt es sich um eine Gravitationswelle, ein Phänomen, das Albert Einstein in einem Vortrag in Berlin 1916 vorhersagte – als Schlussfolgerung aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Der zufolge ist die Anziehungskraft (Gravitation) gar keine Kraft zwischen zwei Körpern, wie Newton erklärt hatte. Sondern sie lässt sich auf die geometrische Eigenschaft der Raumzeit zurückführen. Massen wie Galaxien, Sterne und Planeten krümmen die Raumzeit in ihrer Umgebung. Sehr vereinfacht kann man es sich vorstellen wie ein Gummituch, in das ein Gegenstand gelegt wird. Je schwerer der Gegenstand ist, desto stärker verformt sich das Gummituch. Leider hinkt das Beispiel etwas, weil das Geschehen im dreidimensionalen Raum stattfindet und nicht auf einem zweidimensionalen Tuch. Außerdem haben die Massen auch einen Einfluss auf den Verlauf der Zeit. Entscheidend ist: Große Massen deformieren die Raumzeit in ihrer Umgebung.

Wenn sich Massen stark beschleunigen – weil sie etwa als Supernova explodieren oder sich rasant umkreisen und verschmelzen –, dann lösen sie Stauchungen und Streckungen in der Raumzeit aus, so Einstein. Man kann es sich wie winzige Wellen vorstellen, ausgelöst von einem ins Wasser fallenden Stein, nur eben dreidimensional. Albert Einstein hatte wohl nie mit der Möglichkeit gerechnet, dass solch eine durchs Universum rasende Welle direkt aufgefangen werden könnte. Dies gelang erst hundert Jahre später, als sogenannte Gravitationswellen-Detektoren im September 2015 erstmals das Signal einer Welle auffingen. Es stammte von zwei Schwarzen Löchern, die vor 1,3 Milliarden Jahren kollidierten und verschmolzen.

Einsteins kühne Idee bestätigt

Die Präsentation der Entdeckung im Februar 2016 war eine Sensation, denn sie bestätigte Einsteins kühne Idee – und zeigte damit auch, zu welchen geistigen Leistungen der Mensch fähig ist. Und sie öffnete der Astronomie neue Türen, um Vorgänge im Universum zu entdecken und zu erklären. Ein ganz neues Forschungsfeld befasst sich damit: die Gravitationswellen-Astronomie. Sie ermöglicht Einblicke ins Weltall, die mit elektromagnetischen Wellen wie Licht und Gammastrahlen nicht zu erlangen sind. Vielleicht lässt sich damit auch das Mysterium der Dunklen Materie ergründen, aus der 85 Prozent des Universums bestehen.

Drei Vorreiter der Gravitationswellen-Astronomie erhielten 2017 den Physik-Nobelpreis: Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne. Sie hatten unter anderem die Technologie mit entwickelt, um die winzigen Gravitationswellen aufzufangen: die Laser-Interferometer. Es sind riesige Anlagen namens LIGO und Virgo, die in den USA und Europa stehen. Sie bestehen aus zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Röhren, die jeweils drei bis vier Kilometer lang sind. Rast eine Gravitationswelle über die Anlage, wird sie über winzigste Verschiebungen darin verlaufender Laserstrahlen registriert. Seit der ersten Messung einer Gravitationswelle 2015 wurden viele weitere Signale aufgefangen. Mehr als 50 sogenannter Gravitationswellen-Kandidaten müssen durch die Forscher von LIGO und Virgo noch näher untersucht werden.

Das Gravitationswellensignal namens GW190521 stammt vom 21. Mai 2019. Die Fachzeitschriften „Physical Review Letters“ und „Astrophysical Journal Letters“ berichten darüber. Das Potsdamer Albert-Einstein-Institut spricht vom „bislang dicksten Fisch“, der eingefangen wurde. Zum ersten Mal konnte die Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs – mit 142 Sonnenmassen – direkt beobachtet werden. An der Auswertung waren neben Potsdamer Forschern auch Kollegen vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und der Leibniz-Universität in Hannover beteiligt. Die Forscher haben unter anderem genaue Modelle zur Analyse von Gravitationswellen entwickelt, die von einander umkreisenden Schwarzen Löchern auf dem Weg zur Verschmelzung ausgesendet werden. Die „Wellenformmodelle“ entstanden mithilfe modernster Hochleistungscomputer. Die aufgefangenen Signale werden anhand der vorliegenden Modelle ausgewertet.

„Von Anfang an stellte uns dieses gerade einmal eine Zehntelsekunde lange Signal vor Herausforderungen, als wir seine Quelle identifizieren wollten“, sagt die Astrophysikerin Alessandra Buonanno, Direktorin am Albert-Einstein-Institut, über das jetzt ausgewertete Signal GW190521. „Aber trotz der kurzen Dauer konnten wir zeigen, dass das Signal einem entspricht, das wir – wie von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt – von verschmelzenden Schwarzen Löchern erwarten.“

Eines der beiden Schwarzen Löcher besaß 85 Sonnenmassen. „Es dürfte eigentlich gar nicht existieren“, schreibt das Potsdamer Albert-Einstein-Institut. „Nach unserem Verständnis davon, wie Sterne altern und sich entwickeln, erwarten wir, dass wir Schwarze Löcher mit entweder weniger als 65 Sonnenmassen oder mehr als 135 Sonnenmassen finden, aber keine dazwischen“, erklärt Frank Ohme, Forscher in Hannover. Das entdeckte Schwarze Loch falle genau in die Lücke. „Das kann zwei Dinge bedeuten: Unser Verständnis der Sternentwicklung ist unvollständig, oder hier hat sich etwas anderes ereignet.“ Die wahrscheinlichste Erklärung für Forscher ist, dass das Objekt mit 85 Sonnenmassen aus einer früheren Verschmelzung von zwei kleineren Schwarzen Löchern oder von zwei massereichen Sternen entstanden war. Ähnlich fasst es auch Alessandra Buonanno zusammen: „Uns wurde klar, dass wir erstmals Zeuge der Geburt eines mittelschweren Schwarzen Lochs waren, dessen einer Elternteil höchstwahrscheinlich selbst aus einer früheren Verschmelzung eines Doppelsystems hervorgegangen ist.“

Anhand der in den vergangenen Jahren ausgewerteten Gravitationswellen konnten die Forscher bereits viele Entdeckungen im Weltall machen. Erst im Juni 2020 hatten die Potsdamer Forscher von der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs berichtet, das etwa 23-mal so viel Masse wie unsere Sonne besaß, mit einem neunmal leichteren Objekt. Auch hier gab es Irritationen. Denn man hatte so etwas nie zuvor gesehen. „Wenn es sich tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt, ist es das leichteste bekannte, ist es hingegen ein Neutronenstern, so ist dies der massereichste, den wir je in einem Doppelsystem beobachtet haben“, sagte Abhirup Ghosh, Wissenschaftler am Albert-Einstein-Institut in Potsdam.

Ein anderes Signal zeigte erstmals die Kollision und Verschmelzung zweier Neutronensterne. Solche Objekte entstehen, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens ihren Brennstoff verbraucht haben und in sich zusammenstürzen. Man könne einen Neutronenstern etwas vereinfacht als einen gigantischen Atomkern bezeichnen, der einen Radius von etwa zwölf Kilometern und 500.000 Erdmassen hat, heißt es auf der Seite des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie. Ein Stück von der Größe eines Zuckerwürfels würde auf der Erde mehrere hundert Millionen Tonnen wiegen. Besonders massereiche Sterne enden als Schwarze Löcher. Ihnen entweicht auch kein Licht mehr.