Pfiffiger Nachweis von großen schwarzen Löchern

Der Ursprung supermassereicher schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien ist eines der größten Rätsel der Astronomie. Diese Objekte könnten entweder bereits früh im Universum mit großer Masse entstanden sein oder im Laufe der Zeit durch das Ansammeln von Materie und durch die Verschmelzung mit anderen schwarzen Löchern gewachsen sein. Wenn ein supermassereiches schwarzes Loch ein anderes massereiches schwarzes Loch verschlingt, entstehen Gravitationswellen, die sich als kleine Erschütterungen in der Raumzeit durch das Universum bewegen. Vor knapp zehn Jahren gelang Astrophysikern zum ersten Mal der direkte Nachweis von Gravitationswellen, welcher der Astronomie ein neues Fenster ins Universum öffnete. Bisher konnten diese Gravitationswellen jedoch nur von relativ kleinen schwarzen Löchern gemessen werden, die Überreste sterbender Sterne sind und somit das Endstadium schwerer Sterne darstellen.

Das Erkennen der Signale von Paaren weitaus schwererer schwarzer Löcher ist mit heutiger Technologie nicht möglich, da die Detektoren nicht empfindlich genug auf die extrem niedrigen Frequenzen dieser Gravitations­wellen reagieren. Zukünftige Missionen wie die von der Esa geleitete Lisa – Laser Interferometer Space Antenna – sollen dies ändern. Dennoch bleibt die Detektion der massereichsten schwarzen Loch-Paare eine große Herausforderung. Ein inter­nationales Forschungsteam unter der Leitung ehemaliger Studenten der Universität Zürich schlägt eine neuartige Methode vor, um Paare der größten schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien zu entdecken. Diese Methode nutzt die Analyse von Gravitationswellen kleiner nahegelegener schwarzer Löcher, welche die Überreste sterbender Sterne sind. Diese neue Beobachtungs­technik erfordert einen Gravitations­wellen­detektor im Dezihertz-Bereich und könnte das Studium super­massereicher schwarzer Löcher ermöglichen, die ansonsten unentdeckt bleiben würden.

„Unsere Idee funktioniert im Grunde wie das Hören eines Radiosenders. Wir schlagen vor, das Signal von Paaren kleiner schwarzer Löcher ähnlich wie Radiowellen zu nutzen. Die supermasse­reichen schwarzen Löcher verhalten sich dabei ähnlich wie die Radiomusik, die in Form einer Frequenz­modulation des empfangenen Signals übertragen wird“, erklärt Jakob Stegmann, Hauptautor der Studie, die er als Gaststudent an der Universität Zürich begann und als Post­doktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik fortführte. „Das Neue an dieser Idee ist, hohe Frequenzen zu nutzen, die leicht zu erkennen sind, um niedrigere Frequenzen zu messen, die unsere Instrumente eigentlich nicht detektieren können.“

Aktuelle Ergebnisse unterstützen bereits die Existenz von verschmelzenden supermassereichen schwarzen Loch-Paaren. Diese Beweise sind jedoch indirekt und resultieren aus dem kollektiven Signal vieler entfernter Paare, die effektiv ein Hintergrund­rauschen erzeugen. Die vorgeschlagene Methode zur Detektion einzelner supermasse­reicher schwarzer Loch-Paare nutzt die subtilen Veränderungen, die sie in den von einem Paar nahegelegener kleiner schwarzer Löcher emittierten Gravitations­wellen verursachen. Diese wirken somit als eine Art Leuchtfeuer, das die Existenz der größeren schwarzen Löcher anzeigen. Durch die Erkennung der winzigen Modulationen in den Signalen der kleinen schwarzen Löcher könnten Wissenschaftler selbst über große Entfernungen hinweg bisher verborgene Paare supermasse­reicher schwarzer Löcher mit Massen von zehn Millionen bis einhundert Millionen Sonnenmassen identi­fizieren.

Lucio Mayer, Theoretiker für schwarze Löcher an der Universität Zürich, fügt hinzu: „Da der Weg für Lisa nun feststeht, nachdem die Esa die Mission im letzten Januar bestätigt hat, muss die wissen­schaftliche Gemeinschaft die beste Strategie für die nächste Generation von Gravitations­wellen­detektoren ausloten, insbesondere in welchem Frequenzbereich man sich konzentrieren sollte. Studien wie diese liefern eine starke Motivation, ein Detektor­design im Dezihertz-Bereich zu priorisieren.“

U. Zürich / JOL