Gravitationswellen von kollidierenden Galaxien

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie hatte Albert Einstein vor hundert Jahren die Gravi­ta­tions­wellen vorher­gesagt, vor einem Jahr wurden sie erst­mals direkt nach­ge­wiesen: Das ameri­kanische Gravi­ta­tions­wellen-Obser­va­torium LIGO regis­trierte die Raum­schwingungen, die durch das Verschmelzen von zwei masse­reichen schwarzen Löchern ent­standen waren. Und die Erfor­schung der Gravi­ta­tions­wellen geht weiter: Ab 2034 soll eLISA, die „Evolved Laser Inter­fero­meter Space Antenna“, Gravi­ta­tions­wellen in tieferen Frequenz­bereichen messen. Bis­lang konnte jedoch nicht schlüssig voraus­gesagt werden, zu welchem Zeit­punkt beim Ver­schmelzen von Galaxien Gravi­ta­tions­wellen aus­ge­löst werden und sich über den Welt­raum aus­breiten. Zum ersten Mal hat dies nun ein inter­natio­nales Forscher­team berechnet.

Jede Galaxie besitzt in ihrem Zentrum ein supermassives schwarzes Loch, das eine Masse von Millionen oder gar Milliarden Sonnen auf­weisen kann. In einer realis­tischen Nach­bildung des Universums wurde das Ver­schmelzen zweier, etwa drei Milliarden Jahre alter Galaxien simu­liert, die relativ eng bei­ein­ander lagen. Mit­hilfe von Super­computern berech­neten die Forscher die Zeit, die die zwei zentralen schwarzen Löcher mit etwa hundert Millionen Sonnen­massen brauchen, um nach der Kollision der Galaxien starke Gravi­ta­tions­wellen aus­zu­senden.

„Das Ergebnis ist überraschend: Das Verschmelzen der beiden schwarzen Löcher löste bereits nach etwa zehn Millionen Jahren die ersten Gravi­ta­tions­wellen aus – etwa hundert Mal schneller als bisher ange­nommen“, erklärt Lucio Mayer von der Uni Zürich. Die über ein Jahr andauernden Computer­simu­la­tionen wurden in China, Zürich und Heidel­berg durch­ge­führt. Das Projekt erfor­derte einen inno­va­tiven Berech­nungs­ansatz mit verschiedenen nume­rischen Codes auf unter­schied­lichen Super­computern. Jedem Super­computer oblag dabei die Berech­nung einer bestimmten Phase der orbi­talen An­näherung der beiden masse­reichen schwarzen Löcher und ihrer Galaxien.

Gegenüber bisherigen Modellen wurde in der vorliegenden Simulation die Beziehung zwischen den Umlauf­bahnen der zentralen schwarzen Löcher und der Art der Galaxien berück­sichtigt. „Unsere Berech­nungen erlauben daher eine robuste Prognose für die Verschmel­zungs­rate von super­massiven schwarzen Löchern in der Früh­zeit des Uni­versums. Sie können dazu bei­tragen, die Gravi­ta­tions­wellen, die eLISA in naher Zukunft wohl finden wird, besser ein­schätzen zu können“, so Mayer.

UZH / RK