Vor Milliarden von Jahren verschmolzen zwei schwarze Löcher, die viel massereicher als die Sonne waren - jeweils 31 und 19 Sonnenmassen - in einer fernen Galaxie. Am 4. Januar 2017 erreichten diese Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum bewegten, schließlich die Erde, wo sie unseren Planeten zusammendrückten und in mehrere Atome streckten. Dies war genug für die beiden LIGO-Detektoren in Washington DC und Louisiana, um das Signal aufzunehmen und genau zu rekonstruieren, was passiert ist. Zum dritten Mal in der Geschichte haben wir Gravitationswellen direkt beobachtet. In der Zwischenzeit suchten Teleskope und Observatorien auf der ganzen Welt, einschließlich derer in der Erdumlaufbahn, nach einem völlig anderen Signal: etwas wie Licht oder elektromagnetische Strahlung, die diese verschmelzenden Schwarzen Löcher aussenden könnten.
Eine Illustration von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern mit vergleichbarer Masse wie in LIGO. Es wird erwartet, dass eine solche Fusion sehr wenig elektromagnetische Signale erzeugt, aber das Vorhandensein einer stark erhitzten Substanz in der Nähe solcher Objekte kann dies ändern.
Nach unseren besten Physikmodellen sollte das Zusammenführen von Schwarzen Löchern überhaupt kein Licht emittieren. Eine massive Singularität, die von einem Ereignishorizont umgeben ist, kann aufgrund der sich ändernden Krümmung der Raumzeit Gravitationswellen aussenden, da sie sich um eine andere riesige Masse dreht, und die allgemeine Relativitätstheorie impliziert dies. Da Gravitationsenergie in Form von Strahlung von irgendwoher kommen muss, ist das letzte Schwarze Loch nach der Fusion mehrere Sonnenmassen leichter als die Summe der Quellen, die es erzeugt haben. Dies steht in völliger Übereinstimmung mit zwei anderen von LIGO beobachteten Fusionen: Etwa 5% der ursprünglichen Massen wurden in Form von Gravitationsstrahlung in reine Energie umgewandelt.
Die Massen bekannter binärer Schwarzlochsysteme, darunter drei bestätigte LIGO-Fusionen und ein Fusionskandidat
Wenn sich jedoch etwas außerhalb dieser Schwarzen Löcher befindet, z. B. eine Akkretionsscheibe, eine Firewall, eine harte Hülle, eine diffuse Wolke oder etwas anderes, kann die Beschleunigung und Erwärmung dieses Materials elektromagnetische Strahlung erzeugen, die sich zusammen mit unseren Gravitationswellen ausbreitet. Nach der ersten LIGO-Detektion gab der Fermi-Gammastrahlen-Burst-Monitor an, einen Burst hoher Energie entdeckt zu haben, der mit der Zeit des Gravitationswellensignals zusammenfällt. Leider konnte der ESA-Satellit nicht nur die Ergebnisse von Fermi nicht bestätigen, sondern die dort arbeitenden Wissenschaftler entdeckten einen Fehler in der Analyse ihrer Daten durch Fermi, wodurch ihre Ergebnisse völlig diskreditiert wurden.
Verschmelzen von zwei schwarzen Löchern durch die Augen eines Künstlers mit einer Akkretionsscheibe. Die Dichte und Energie der Materie sollte hier nicht ausreichen, um Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen zu erzeugen, aber wer weiß, wozu die Natur fähig ist.
Die zweite Fusion zeigte keine derartigen Hinweise auf elektromagnetische Signale, aber dies ist nicht überraschend: Schwarze Löcher hatten eine deutlich geringere Masse, sodass jedes von ihnen erzeugte Signal eine entsprechend geringere Größe hätte. Aber auch die dritte Fusion war massenhaft und eher mit der ersten als mit der zweiten vergleichbar. Obwohl Fermi nichts sagte und der Integral-Satellit der ESA ebenfalls still blieb, gab es zwei Hinweise darauf, dass elektromagnetische Strahlung aufgetreten sein könnte. Der AGILE-Satellit der italienischen Raumfahrtbehörde zeichnete eine schwache, kurzlebige Fackel auf, die eine halbe Sekunde vor der Fusion bei LIGO auftrat, und die kombinierten Röntgen-, Radio- und optischen Beobachtungen wurden seltsamerweise identifiziert.
Wenn irgendetwas davon auf die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zurückzuführen wäre, wäre es absolut unglaublich. Wir wissen so wenig über Schwarze Löcher im Allgemeinen, was können wir über das Zusammenführen von Löchern sagen. Wir haben sie noch nie mit eigenen Augen gesehen, obwohl das Event Horizon Telescope vor Ende dieses Jahres ein Foto machen wird. Wir haben erst in diesem Jahr herausgefunden, dass Schwarze Löcher keine harten Schalen um den Ereignishorizont haben, aber diese Tatsache war auch statistisch. Wenn es also um die Möglichkeit geht, dass Schwarze Löcher elektromagnetische Lecks aufweisen, lohnt es sich, offen zu bleiben.
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Entfernte, massive Quasare weisen in ihren Kernen supermassereiche Schwarze Löcher auf, und ihre elektromagnetischen Lecks sind leicht zu erkennen. Wir haben jedoch noch nicht gesehen, dass verschmelzende Schwarze Löcher (insbesondere solche mit geringer Masse, weniger als 100 Sonnen) alles emittieren, was erkannt werden kann.
Leider liefert keine dieser Beobachtungen die notwendigen Daten, um zu dem Schluss zu gelangen, dass das Zusammenführen von Schwarzen Löchern irgendetwas im elektromagnetischen Spektrum emittieren kann. Im Allgemeinen ist es ziemlich schwierig, überzeugende Beweise zu erhalten, da selbst die beiden LIGO-Detektoren, die mit unglaublicher Genauigkeit arbeiten, den Ort des Gravitationswellensignals nicht genauer bestimmen können als bis zu einer oder drei Konstellationen. Da sich Gravitationswellen und elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ist es äußerst unwahrscheinlich, dass zwischen beiden eine Verzögerung von fast 24 Stunden auftritt. Außerdem tritt das transiente Ereignis in einer Entfernung auf, die es nicht zulässt, dass es einer Gravitationswelle zugeordnet wird.
Das Beobachtungsgebiet des AGILE-Observatoriums zum Zeitpunkt der LIGO-Beobachtungen mit dem möglichen Ort der Gravitationswellenquelle in violetten Umrissen
Die Beobachtungen von AGILE könnten möglicherweise darauf hindeuten, dass etwas Interessantes passiert. In dem Moment, in dem das Gravitationswellenereignis erkannt wurde, zielte AGILE auf einen Raumbereich ab, der 36% des LIGO-Untersuchungsgebiets enthält. Laut Wissenschaftlern lag "der Überschuss an detektierten Röntgenphotonen" irgendwo über dem üblichen durchschnittlichen Hintergrund. Bei Betrachtung der Daten lautet die erste Frage, die Wissenschaftler stellen: Wie überzeugend sind sie?
Sekunden vor der LIGO-Fusion haben sie ein interessantes Ereignis mit der Bezeichnung E2 in den drei obigen Diagrammen herausgeholt. Nach einer gründlichen Analyse, in der sie korrelierten, was sie sehen und welche zufälligen Schwankungen natürlich auftreten können, kamen sie zu dem Schluss, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9% etwas Interessantes passiert war. Mit anderen Worten, sie sahen ein echtes Signal, keine zufällige Schwankung. Es gibt viele Objekte im Universum, die Gamma- und Röntgenstrahlen aussenden, die den Hintergrund bilden. Aber kann der Vorfall mit der Gravitationsverschmelzung zweier Schwarzer Löcher in Verbindung gebracht werden?
Computersimulationen zweier verschmelzender Schwarzer Löcher mit der Erzeugung von Gravitationswellen. Die Frage ist, begleitet dieses Signal einen elektromagnetischen Ausbruch?
Wenn ja, warum haben die anderen Satelliten es nicht gesehen? Im Moment können wir daraus schließen, dass wenn Schwarze Löcher einen elektromagnetischen Teil hatten, es:
- extrem schwach
- wird nur bei niedrigen Energien geboren
- hat keine helle optische, Radio- oder Gammastrahlenkomponente
- tritt nicht gleichzeitig mit der Freisetzung von Gravitationswellen auf.
Binäre Schwarze Löcher mit 30 Sonnenmassen, die zuerst von LIGO entdeckt wurden, sind ohne direkten Zusammenbruch schwer zu bilden. Nun, als sie bereits zweimal beobachtet wurden, wurde klar, dass solche Paare von Schwarzen Löchern ziemlich häufig sind. Haben sie elektromagnetische Strahlung?
Darüber hinaus passt alles, was wir sehen, perfekt zu der Tatsache, dass das Zusammenführen von Schwarzen Löchern keinen elektromagnetischen Teil hat. Aber könnte dies daran liegen, dass wir nicht genügend Daten haben? Wenn wir mehr Gravitationswellendetektoren bauen, mehr Fusionen von schwarzen Löchern mit hoher Masse sehen, sie besser lokalisieren, mehr vorübergehende Ereignisse sehen - können wir die Antwort auf diese Frage herausfinden. Wenn Missionen und Observatorien, die solche Daten sammeln sollen, gebaut, in Auftrag gegeben und gegebenenfalls in die Umlaufbahn gebracht werden, erhalten wir in 15 Jahren eine wissenschaftliche Bestätigung.
ILYA KHEL