Gravitationswellen helfen beim Beobachten schwarzer Löcher

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt Wellen in der Raumzeit voraus, die von Paaren von verschmelzenden schwarzen Löchern erzeugt werden. Wenn Galaxien verschmelzen, werden sich die supermassiven schwarzen Löcher, die im Zentrum von großen Galaxien vermutet werden, unweigerlich treffen. Erst tanzen sie zusammen und vollführen dann eine verzweifelte Umarmung, bevor sie verschmelzen.

Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie lassen vermuten, dass schwarze Löcher gegen Ende ihres Tanzes Gravitationswellen ausstrahlen. Die Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts CBHEO (Connecting numerical simulations of black holes with experiment and observations) haben "Vorlagen" für Wellenformen generiert, die solchen astrophysikalischen Signalen entsprechen sollten.

Von den beobachteten Wellenformen erwartete man, dass sie die Signale von den beiden sich spiralförmig aufeinander zu bewegenden schwarzen Löchern enthalten, ebenso wie von ihrer Fusion und dem daraus resultierenden Begrenzungsring. Die Suchvorlagen wurden von den CBHEO-Wissenschaftlern mithilfe von Techniken der numerischen Relativitätstheorie und Post-Newton-Methoden erzeugt und enthalten alle diese Merkmale.

Insbesondere wurde der inspirale Abschnitt der Wellenform unter Verwendung von analytischen post-Newtonschen Berechnungen modelliert. Auf der anderen Seite wurden numerische Lösungen der Allgemeinen Relativitätsfeldgleichungen gebraucht, um die endgültigen Bahnen und die Verschmelzung der schwarzen Löcher genau zu modellieren.

Diese Hybrid-Wellenformen wurden zu Daten hinzugefügt, die an Vorhersagen der Empfindlichkeitskurven für das Virgo- und das LIGO-Observatorium (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) rekoloriert wurden. Die resultierenden Daten wurden von Gravitationswellenerkennungsalgorithmen im Rahmen der numerischen Injektionsanalyse der NINJA-Kooperation (Numerical Injection Analysis) analysiert.

Die CBHEO-Wissenschaftler modellierten auch die durch die Verschmelzung von schwarzen Löchern erzeugten Parton-Parton-Kollisionen. Diese Studie wurde von der Möglichkeit motiviert, dass sich schwarze Löcher in den Partikelkollisionsexperimenten bilden würden, wie es die neuen Theorien der Schwerkraft vorhersagen. Die Hauptergebnisse der Simulationen waren die Menge an Energie und Drehimpuls, die in Gravitationswellen verloren geht.

Mithilfe der Projektergebnisse von CBHEO über die Dynamik von schwarzen Löchern hoffen die Wissenschaftler, Signaturen von Gravitationswellen zu identifizieren. Im Gegenzug könnten Informationen über Gravitationswellen ein leistungsfähiges neues Werkzeug in der Astrophysik sein, weil schwarze Löcher sehr schwer zu beobachten sind.