Deutlichstes Signal zweier verschmelzender schwarzer Löcher
Im Rahmen des 10-jährigen Jubiläums der Gravitationswellenastronomie präsentieren die Ligo-Virgo-Kagra Kollaboration und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik neue Ergebnisse
Auf den Punkt gebracht
- Neue Entdeckung: Die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher (GW250114) ist das bislang deutlichste (lauteste) Gravitationswellen-Signal, das sich vom Untergrundrauschen anderer Signale abhebt. Das Signal erlaubt Forschenden einige der strengsten Tests der allgemeinen Relativitätstheorie und die Bestätigung Hawkings Flächentheorems für schwarze Löcher.
- Zehn Jahre Gravitationswellenphysik: Der erste Nachweis von Gravitationswellen von verschmelzenden schwarzen Löchern am 14. September 2015 eröffnete ein Beobachtungsfenster zum unsichtbaren aber spürbaren Universum. Davor waren Forschende vor allem darauf angewiesen, mit Teleskopen Licht zu messen, das astronomische Objekte bei verschieden Wellenlängen aussenden oder Teilchen nachzuweisen, die von extremen astrophysikalischen Objekten ins All beschleunigt werden.
- Fortschritte in der Gravitationswellenphysik: Gravitationswellen-Detektoren, die Erschütterungen der Raum-Zeit messen, wurden seither weiterentwickelt und immer empfindlicher. So gelangen immer mehr Nachweise von verschmelzenden schwarzen Löchern: Während im Jahr 2015 nur ein Paar wenige Signale bekannt waren, steigerte sich die Zahl im Jahr 2025 auf etwa 300 verschmelzende Neutronensterne und schwarze Löcher.
Das internationale Netzwerk von Gravitationswellen-Detektoren Ligo-Virgo-Kagra (LVK) hat das bisher deutlichste Gravitationswellensignal veröffentlicht, das je auf der Erde von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern gemessen wurde. Forschende führen es unter der Bezeichnung GW250114. Die Raum-Zeit-Welle erreichte bereits am 14. Januar 2025 die Erde und stauchte beziehungsweise streckte die langen lasergekoppelten Arme der Detektoren kaum aber messbar um etwa ein Tausendstel eines Protondurchmessers. Seit der ersten Messung von Gravitationswellen vor zehn Jahren sind die Messapparate wesentlich empfindlicher und die Datenanalyse effizienter geworden. Daher hebt sich das aktuelle Gravitationswellensignal GW250114 stärker als je zuvor vom Untergrundrauschen der Instrumente ab und erlaubt genaue Tests theoretischer Vorhersagen wie die der allgemeinen Relativitätstheorie.
Bestätigung von Stephen Hawking
Die Ursache für das Signal ist die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher, 30- bis 40-Mal so schwer wie die Sonne, die sich in einer Entfernung von etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren befanden. Die Prägnanz des Signals erlaubt es, grundlegende physikalische Erkenntnisse abzuleiten. Dem Team gelang der bislang beste beobachtungsbasierte Beweis für das Flächentheorem schwarzer Löcher, das Stephen Hawking im Jahr 1971 aufstellte. Dieses Theorem besagt, dass die Gesamtoberfläche schwarzer Löcher nicht abnehmen darf. Gemeint ist die Summe der gedachten Flächen innerhalb des Ereignishorizonts zweiter schwarzer Löcher.
Der Ereignishorizont markiert einen gedachten und sehr engen Bereich um die extreme Massekonzentration im Zentrum, von dem aus ein Objekt gerade noch der Anziehungskraft des Zentrums entfliegen könnte, wenn es so schnell wäre, wie das Licht. Aus dem Inneren dieses Horizons dringen keine Informationen und kein Licht nach außen, was schwarzen Löchern ihren Namen verleiht. Laut Hawking darf die Größe des verschmolzenen schwarzen Lochs nicht kleiner sein als die Summe der Einzelflächen der ursprünglichen schwarzen Löcher. Die Gravitationswellensignale begleiten den Prozess der Verschmelzung und erlauben, die Oberflächen der schwarzen Löcher vor der Verschmelzung und die des verschmolzenen schwarzen Lochs zu messen und diese dank der hohen Qualität des Signals GW250114 mit ausreichender Genauigkeit zu vergleichen. Anschaulich betrachtet, hörten Forschende dank der Gravitationswellen zu, wie zwei schwarze Löcher zu einem einzigen, größeren Loch heranwuchsen und bestätigten so Hawkings Theorem. Die Daten deuten sogar darauf hin, dass die Fläche des verschmolzenen schwarzen Lochs etwas größer ist als die Summe der Flächen vor der Verschmelzung.
Strengste Tests der allgemeinen Relativitätstheorie und der Natur schwarzer Löcher
In der veröffentlichten Studie identifizierten die Astronominnen und Physiker darüber hinaus erstmals mit hoher Sicherheit zwei unterschiedliche Gravitationswellen-Moden – also zwei unterschiedliche Töne – im „Ringdown“. Der Ringdown ist der Moment, in dem der enge Tanz beider schwarzer Löcher abklingt, also die Phase, in der das finale schwarze Loch unmittelbar nach der Verschmelzung seinen Endzustand einnimmt. Dieser Moment ähnelt dem Ton, den ein taumelnder Teller macht, der rhythmisch auf auf der Stelle kreiselt. Mit der Zeit werden die Kreise enger und schneller, der Ton steigert sich zu einem hohen sirrenden Klang und bricht sofort ab, wenn der Teller zum Stillstand kommt. Die beiden Ton-Moden des Schwarz-Loch-Paares haben sehr ähnliche Frequenzen, was ihre Identifizierung erschwert, klingen aber unterschiedlich schnell aus. Die Genauigkeit des Ringdown-Signals von GW250114 erlaubte es dem Team so, beide Töne zu extrahieren. „Wir haben eine spektroskopische Untersuchung des schwarzen Lochs durchgeführt, das heißt wir haben die unterschiedlichen Töne untersucht, die während der letzten Abklingphase der Verschmelzung abgegeben wurden. Wir konnten zuverlässig überprüfen, ob sich das Objekt tatsächlich wie ein rotierendes schwarzes Loch verhält“, sagt Lorenzo Pompili, Doktorand am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Das Ergebnis: „Die erwarteten Frequenzen und Abklingzeiten stimmten mit den Vorhersagen Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein“, sagt Pompili.
„Zusätzlich konnten wir bei GW250114 erstmals auch die Eigenschaften eines dritten, höheren Tons beim Ausklingen des zurückbleibenden schwarzen Lochs eingrenzen“, erklärt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. „Wir haben einige der bislang genauesten Überprüfungen der allgemeinen Relativitätstheorie vorgenommen“, sagt Buonanno. Die Ergebnisse einiger dieser Tests, die auf diesem einzelnen Signal beruhen, sind zwei- bis dreimal genauer als die der gleichen Tests, die auf der kombinierten Untersuchung von Dutzenden der lautesten Verschmelzungsereignisse aus dem neuesten Gravitationswellensignalkatalog (GWTC-4.0) beruhen.
Buonanno ergänzt: „Insgesamt wurden Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und die Kerr-Lösung für schwarze Löcher erneut empirisch bestätigt.“ Die 1963 von Roy Kerr gefundene Lösung für rotierende schwarze Löcher ist seit der Entdeckung von Quasaren von großer Bedeutung für die Astrophysik und die Grundlagenphysik.
Der erste Nachweis von Gravitationswellen vor zehn Jahren
Jagd auf Gravitationswellen
Am 14. September 2015 erreichte ein Signal von einem Paar schwarzer Löcher die Erde. Es enthielt Informationen darüber wie sich die beiden Objekte in einer fernen Galaxie umrundet hatten, sich immer näher kamen und schließlich miteinander verschmolzen. Die beiden Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) beobachteten zum ersten Mal Gravitationswellen von verschmelzenden schwarzen Löchern. Seitdem wurden rund 300 weitere Verschmelzungen beobachtet, auch von Neutronensternen. Mit diesen Messungen wurde eine neue Ära der Astronomie eingeläutet, die über die Beobachtung von Licht, also elektromagnetischen Wellen, hinausgeht. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und der Leibniz-Universität Hannover haben dazu in vielen Schlüsselbereichen entscheidende Beiträge geleistet und prägen auch weiterhin die Zukunft dieses Forschungsgebiets.
„Es war eine unglaubliche Reise, die uns zu diesem bemerkenswerten Meilenstein vor 10 Jahren geführt hat. Seit den Anfängen dieses Forschungsgebiets treiben unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Entwicklung neuer Technologien und Analysetechniken voran“, sagt Karsten Danzmann, Direktor Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover. „Wir arbeiten auf eine Zukunft hin, in der die Astronomie mit Gravitationswellen noch mehr Geheimnisse des Universums enthüllen wird.“
Dank dieser historischen Entdeckung können Astronominnen und Astronomen das Universum nun auf insgesamt drei verschiedene Arten beobachten: Elektromagnetische Wellen – wie sichtbares Licht, Röntgenstrahlung und Radiowellen –, hochenergetische Teilchen und Neutrinos und nun auch: Gravitationswellen, also das Erzittern der Raumzeit, ausgelöst durch beschleunigte extreme Massenkonzentrationen. Für diese Entdeckung wurden Rai Weiss, Kip Thorne und Barry Barish im Jahr 2017 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Kilonovae als Quellen von Licht und Gravitationswellen
In den letzten zehn Jahren haben Forschende des Instituts auch dazu beigetragen, Gravitationswellen-Ereignisse zu verstehen, an denen Neutronensterne beteiligt waren. Wie schwarze Löcher entstehen Neutronensterne bei Supernova-Explosionen am Lebensende eines massereichen Sterns. Sie haben weniger Masse als schwarze Löcher und strahlen, anders als diese, elektromagnetische Wellen ab. Im August 2017 beobachteten Ligo und Virgo eine Verschmelzung zweier Neutronensterne, gefolgt von Gammastrahlung über Röntgenstrahlung bis hin zu Infrarot- und Radiowellen. Die Kilonova schleuderte Gold und andere schwere Elemente ins Universum und zog die Aufmerksamkeit von Teleskopen auf der ganzen Welt und im All auf sich.
Bei diesem Ereignis der Multi-Messenger-Astronomie wurden erstmals sowohl Licht als auch Gravitationswellen von demselben kosmischen Ereignis erfasst. Heute lauscht die LVK-Kollaboration auf der Suche nach Gravitationswellensignalen ins All und informiert Forschende sofort, wenn sich solche begehrte Verschmelzungen von Neutronensternen anbahnen. So bleibt genug Zeit, Teleskope weltweit auf diese Ereignisse auszurichten.
Hintergrundinformationen
Eine Vielzahl von Entdeckungen
Weitere bemerkenswerte wissenschaftliche Entdeckungen der LVK-Kollaboration sind der erste Nachweis von Kollisionen zwischen einem Neutronenstern und einem schwarzen Loch, asymmetrische Verschmelzungen, bei denen ein schwarzes Loch deutlich massereicher ist als sein Partnerobjekt, die Entdeckung der leichtesten bekannten schwarzen Löcher, die die Vorstellung einer „Masselücke” zwischen Neutronensternen und schwarzen Löchern in Frage stellen, und die bisher massereichste Verschmelzung von schwarzen Löchern mit einer Gesamtmasse von 225 Sonnenmassen. Zum Vergleich: Der bisherige Rekordhalter für die massereichste Verschmelzung hatte eine Gesamtmasse von 140 Sonnenmassen.
Hochpräzise Wellenformmodelle
Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik haben neue Wellenformmodelle, also Berechnungsmethoden für erwartete Gravitationswellen-Signale, entwickelt. Die LVK-Kollaboration setzt diese routinemäßig ein, um echte astrophysikalische Quellen von zufälligen Schwankungen des Rauschens und terrestrischen Störungen, die in den Detektoren auftreten, zu unterscheiden.
In den letzten zehn Jahren haben die Forschenden am Institut die Genauigkeit und Effizienz ihrer Wellenformmodelle kontinuierlich verbessert. Dabei haben sie immer präzisere Modelle entwickelt, die die komplexe Dynamik schnell rotierender schwarzer Löcher berücksichtigen, wie sie beispielsweise bei der kürzlichen Entdeckung von GW231123 beobachtet wurde. Diese Modelle sind unerlässlich, um aus dem Signal genaue Informationen zu gewinnen und die Eigenschaften der an der Verschmelzung beteiligten astrophysikalischen Objekte zu verstehen.
Die Forschenden des Instituts haben außerdem neue Methoden zur Bestimmung astrophysikalischer Eigenschaften entwickelt. Diese basieren auf maschinellen Lernverfahren und neuronalen Netzen. Mithilfe dieser Methoden lassen sich schnell und genau Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Verschmelzungen schwarzer Löcher und Neutronensterne ziehen. Die neuartigen Methoden sind besonders nützlich, um große Datensätze zu analysieren und potenzielle Signale in Echtzeit zu identifizieren.
Entwicklung von Hochleistungs-Lasersystemen
Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und an der Leibniz Universität Hannover haben maßgeblich zu den Hochleistungs-Lasersystemen beigetragen, die in Gravitationswellen-Detektoren zum Einsatz kommen. Ohne diese Systeme lassen sich die Instrumente nicht betreiben, da sie das intensive, extrem reine und stabile Laserlicht liefern, das zur Messung der winzigen von Gravitationswellen verursachten Längenänderungen benötigt wird. Die Forschenden des Instituts haben die derzeitige Hauptlaserquelle der LIGO-Instrumente entwickelt und deren Weiterentwicklungen getestet und implementiert. Auch die Verstärkerstufe der aktuellen Laserquellen in den Virgo- und KAGRA-Instrumenten basiert auf Entwicklungen und Tests, die in Zusammenarbeit zwischen den Instituten und dem Laserzentrum Hannover durchgeführt wurden.
Technologie-Schmiede GEO600
Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und die Leibniz Universität Hannover betreiben gemeinsam den deutsch-britischen Gravitationswellen-Detektor GEO600. Dieser spielte in den letzten zehn Jahren eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Astronomie mit Gravitationswellen. Als Testumgebung für fortschrittliche Messtechnologie ermöglichte GEO600 die Entwicklung von Schlüsseltechnologien, welche die Empfindlichkeit anderer Detektoren erhöhten. GEO600 war im Jahr 2010 der erste Detektor, der gequetschtes Licht verwendete. Quetschlicht ist eine Technik, die das Quantenrauschen in Gravitationswellen-Detektoren reduziert und es ihnen somit ermöglicht, auch schwächere Signale zu beobachten. Die Forschenden haben Quetschlichtquellen für die Detektoren GEO600 und Virgo entwickelt und gebaut und so zur deutlichen Verbesserung der Quetschlicht-Technologie beigetragen. Diese technologischen Fortschritte haben die Gravitationswellen-Detektoren empfindlicher gemacht und so die Beobachtung und die Untersuchung von Gravitationswellen-Signalen verbessert.
Die Suche nach neuen Entdeckungen geht weiter
In den kommenden Jahren wollen die Wissenschaftlerinnen und Ingenieure der LVK-Kollaboration ihre Geräte weiter optimieren, um mit ihnen noch tiefer in den Weltraum lauschen zu können. Die Forschenden am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und an der Leibniz Universität Hannover werden auch zukünftig bahnbrechende Beiträge auf diesem Gebiet leisten. „Mit den Detektoren der dritten Generation erwarten wir, die frühesten Verschmelzungen von schwarzen Löchern im Universum zu hören, Gravitationswellen-Ereignisse noch präziser zu messen und ein tieferes Verständnis der Geheimnisse unseres Universums zu erlangen“, erklärt Frank Ohme, der eine unabhängige Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik leitet. Die Forschenden der Institute werden die Detektortechnologie, die Entwicklung von Wellenformmodellen und die Analysemethoden weiter vorantreiben und so neue Entdeckungen ermöglichen.
Die Ligo-Virgo-Kagra-Kollaboration
LIGO wird von der US-amerikanischen National Science Foundation finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die das Projekt gemeinsam konzipiert und aufgebaut haben. Die finanzielle Unterstützung für das Advanced LIGO-Projekt wurde von der NSF geleitet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council) bedeutende Aufgaben und Beiträge zu dem Projekt leisteten. Mehr als 1.600 Forschende aus aller Welt beteiligen sich an den Bemühungen im Rahmen der LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO Collaboration gehört. Weitere Partner sind unter my.ligo.org/census.php aufgeführt.
Die Virgo-Kollaboration besteht derzeit aus etwa 1.000 Mitgliedern aus 175 Institutionen in 20 verschiedenen (hauptsächlich europäischen) Ländern. Das European Gravitational Observatory (EGO) betreibt den Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa in Italien und wird finanziert vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem National Institute of Nuclear Physics (INFN) in Italien, dem National Institute of Subatomic Physics (Nikhef) in den Niederlanden, der Research Foundation – Flanders (FWO) und dem Belgian Fund for Scientific Research (F.R.S.–FNRS). Eine Liste der Gruppen der Virgo-Kollaboration finden Sie unter: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. Weitere Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA ist ein Laserinterferometer mit einer Armlänge von 3 Kilometern in Kamioka, Gifu, Japan. Das Wirtsinstitut ist das Institut für Kosmische Strahlungsforschung (ICRR) der Universität Tokio, und das Projekt wird gemeinsam vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans (NAOJ) und der Organisation für Hochenergie-Beschleunigerforschung (KEK) durchgeführt. Die KAGRA-Kooperation besteht aus mehr als 400 Mitgliedern aus 128 Instituten in 17 Ländern/Regionen. Informationen zu KAGRA für die breite Öffentlichkeit finden Sie auf der Website gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Ressourcen für Forschende sind unter gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA verfügbar.
