Binäre Schwarze Löcher können eine weitere von Einsteins Vorhersagen entschlüsseln
Im Großen und Ganzen ist die Struktur eines Schwarzen Lochs ziemlich einfach. Alles, was du wissen musst, sind seine Masse, elektrische Ladung und Rotation, und du weißt, wie die Struktur von Raum und Zeit um das Schwarze Loch herum aussehen muss. Aber wenn zwei Schwarze Löcher einander umkreisen, wird es richtig kompliziert. Im Gegensatz zu einem einzelnen Schwarzen Loch, für das es eine exakte Lösung der Einsteinschen Gleichungen gibt, gibt es für zwei Schwarze Löcher keine exakte Lösung. Das ist vergleichbar mit dem Dreikörperproblem in der Newtonschen Gravitation. Das heißt aber nicht, dass Astronomen keine Lösung finden können, wie einige aktuelle Studien zeigen.
Obwohl Einsteins Gleichungen keine exakte Lösung für ein binäres Schwarzes-Loch-System haben, gibt es Aspekte von binären Schwarzen Löchern, die die Gleichungen vorhersagen. Einer davon ist die sogenannte Spin-Orbit-Resonanz. Wenn ein Schwarzes Loch rotiert, wird die Struktur des Raums um es herum in die Richtung der Rotation verdreht, was als Frame Dragging bezeichnet wird. Wenn zwei Schwarze Löcher eng umeinander kreisen, beeinflusst der Frame-Dragging-Effekt jedes Schwarzen Lochs die Rotation des anderen. Infolgedessen neigen die beiden Schwarzen Löcher dazu, eine Resonanz einzugehen, bei der sich die Rotationen entweder gleich (parallel) oder entgegengesetzt (antiparallel) ausrichten. Wenn die Spin-Orbit-Resonanz real ist, sollten binäre Paare dazu neigen, eine dieser Ausrichtungen zu haben.
Eine aktuelle Studie deutet darauf hin, dass dies der Fall ist. Darin untersuchte das Team Gravitationswellendaten bekannter Schwarzer Löcher und stellte fest, dass ihre Rotationen eher parallel oder antiparallel verlaufen. Angesichts der geringen Stichprobengröße und der Tatsache, dass die Rotationen von Schwarzen Löchern nie genau aufeinander abgestimmt sind, gibt es nicht genug Daten, um den Effekt zu bestätigen, aber die Daten, die wir haben, weisen in diese Richtung.
Eine der Herausforderungen bei der Messung des Spins von Schwarzen Löchern ist, dass das Signal ziemlich schwach ist. Die Gravitationswellen, die wir bei der Verschmelzung entfernter schwarzer Löcher messen, sind so schwach, dass sie leicht im Rauschen untergehen können. Observatorien wie LIGO und Virgo müssen extrem empfindliche Messungen durchführen, und ihre Daten müssen durch Computermodelle gefiltert werden. Es ist die Kombination aus Datenverarbeitung und Computersimulation, die die Verschmelzungen nachweisbar macht. Wenn dann noch der Spin hinzukommt, wird es noch schwieriger.
In einer zweiten Arbeit untersuchte das Team, wie wir bessere Ergebnisse erzielen können. Sie fanden heraus, dass das Signal für die Spinresonanz am stärksten ist, wenn sie kurz vor der Verschmelzung stehen. Das macht Sinn, denn dann sind sie am dichtesten beieinander und das Frame-Dragging ist am stärksten. Derzeit werden die Informationen über die Rotation von binären Schwarzen Löchern jedoch durch Gravitationswellen ermittelt, während sie sich noch umkreisen. Das Team hat gezeigt, wie Modelle stattdessen das Signal der Beinahe-Verschmelzung analysieren können und dabei viel bessere Ergebnisse erzielen. Wenn sie diese neue Methode auf die Verschmelzung von Schwarzen Löchern anwenden, sollten sie in naher Zukunft in der Lage sein, die Spin-Orbit-Resonanz zu bestätigen.
Die Gravitationswellenastronomie ist immer noch ein neues Feld, und wir lernen immer noch, wie wir die Daten erfassen und analysieren können. Wie diese neuen Studien zeigen, enthalten Gravitationswellen eine Menge Informationen, und mit ein bisschen Nachforschung können wir noch viel mehr aufdecken.
Der Text basiert auf dem Beitrag „Binary Black Holes can Unlock Another of Einstein’s Predictions“ von Brian Koberlein der Website universetoday.com und ist unter der Lizenz CC BY 4.0 verfügbar.
