{"id":48188,"date":"2023-07-31T08:00:00","date_gmt":"2023-07-31T06:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/?p=48188"},"modified":"2023-07-27T17:47:33","modified_gmt":"2023-07-27T15:47:33","slug":"set-sound-black-holes","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/2023\/07\/31\/set-sound-black-holes\/","title":{"rendered":"Der Gleichklang Schwarzer L\u00f6cher"},"content":{"rendered":"\n

Sie sind geheimnisvoll, aufregend und unheimlich anziehend: Schwarze L\u00f6cher geh\u00f6ren zu den mysteri\u00f6sesten Objekten im Universum. Mit Gravitationswellendetektoren ist es inzwischen m\u00f6glich, das Ger\u00e4usch h\u00f6rbar zu machen, das zwei Schwarze L\u00f6cher beim Verschmelzen erzeugen. Bisher wurden etwa 70 solcher Ger\u00e4usche, sogenannte \u201eChirps\u201c, aufgezeichnet. Ein Forscherteam des Heidelberger Instituts f\u00fcr Theoretische Studien (HITS) prognostiziert nun, dass in diesem \u201cStimmenmeer\u201c die Chirps bevorzugt in zwei bestimmten Frequenzbereichen auftreten. Die Studie wurde im Fachjournal \u201eThe Astrophysical Journal Letters\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a>

Wellen in der Raumzeit um verschmelzende bin\u00e4re Schwarze L\u00f6cher in einer numerischen Relativit\u00e4tssimulation. Bild: Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration<\/em>.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die Entdeckung der Gravitationswellen, wie sie bereits von Einstein vor hundert Jahren postuliert wurden, f\u00fchrte 2017 zum Nobelpreis f\u00fcr Physik und leitete den Beginn der Gravitationswellenastronomie ein. Wenn zwei Schwarze L\u00f6cher stellarer Masse verschmelzen, senden sie Gravitationswellen mit ansteigender Frequenz aus, das sogenannte \u201eChirp\u201c-Signal, das auf der Erde h\u00f6rbar gemacht werden kann (siehe Video<\/a>). Aus der Beobachtung dieser Frequenzentwicklung (dem \u201eChirp\u201c) k\u00f6nnen Forschende auf die so genannte \u201eChirp-Masse“ schlie\u00dfen, die mathematische Kombination der beiden einzelnen Massen der Schwarzen L\u00f6cher.<\/p>\n\n\n\n

Bislang nahm man an, dass verschmelzende Schwarze L\u00f6cher eine beliebige Masse haben k\u00f6nnen. Die Computermodelle des HITS-Teams legen jedoch nahe, dass einige von ihnen Standardmassen haben, die dann zu universellen Chirps f\u00fchren. \u201eDie Existenz von universellen Chirp-Massen verr\u00e4t uns nicht nur, wie Schwarze L\u00f6cher entstehen“, sagt Fabian Schneider<\/a>, Leiter der Studie am HITS. \u201eSie l\u00e4sst auch R\u00fcckschl\u00fcsse darauf zu, welche Sterne in Supernovae explodieren.“ Dar\u00fcber hinaus bietet sie Einblicke in den Supernova-Mechanismus, in mit Unsch\u00e4rfe behaftete Kern- und Sternphysik und erm\u00f6glicht es Forschenden, die beschleunigte kosmologische Expansion des Universums zu messen.<\/p>\n\n\n\n

\u201eGravierende Folgen f\u00fcr das Schicksal der Sterne\u201c<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a>
Bild 1: K\u00fcnstlerische<\/em> Darstellung eines Massenaustauschs bei einem massereichen Doppelstern. Bild: ESO\/M. Kornmesser\/S.E. de Mink<\/em>.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Stellare Schwarze L\u00f6cher mit etwa der drei- bis hundertfachen Masse unserer Sonne sind die Endpunkte von massereichen Sternen, die nicht in Supernovae explodieren, sondern zu Schwarzen L\u00f6chern kollabieren. Deren Vorl\u00e4ufer, die zu Verschmelzungen f\u00fchren, entstehen urspr\u00fcnglich in Doppelsternsystemen und erleben mehrere Episoden des Massenaustauschs zwischen den Komponenten (Bild 1 und Video<\/a> ). Beide stammen von Sternen, die ihre H\u00fclle verloren haben. \u201eDer Verlust der H\u00fclle hat gravierende Folgen f\u00fcr das Schicksal der Sterne. Es erleichtert zum Beispiel die Explosion in einer Supernova und f\u00fchrt zu universellen Massen von Schwarzen L\u00f6chern, wie sie unsere Simulationen jetzt vorhersagen“, sagt Philipp Podsiadlowski von der Universit\u00e4t Oxford, Zweitautor der Studie und derzeit Klaus Tschira Gastprofessor am HITS.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a>
Bild 2: Massen im stellaren Friedhof (Ma\u00dfeinheit: Sonnenmasse). Die Abbildung zeigt abgeleitete Gravitationsmassen von Neutronensternen und Schwarzen L\u00f6chern aufgrund elektromagnetischer (EM) Aufzeichnungen und Gravitationswellendetektoren (LIGO-Virgo-KAGRA). Die Pfeile verbinden zwei verschmelzende kompakte Objekte und ihre verschmolzenen \u00dcberreste anhand ausgesendeter Gravitationswellen. Visualisierung: LIGO-Virgo-KAGRA \/ Aaron Geller \/ Northwestern.<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Der \u201estellare Friedhof“ (Bild 2) \u2013 eine Sammlung aller bekannten Massen der \u00dcberreste von massereichen Sternen, d.h.\u00a0 Neutronensternen und Schwarzen L\u00f6chern \u2013 w\u00e4chst rasch an, weil die Gravitationswellendetektoren zunehmend empfindlicher werden und weil auch an anderen Observatorien weiter nach solchen Objekten gesucht wird. Dabei scheint es eine L\u00fccke in der Verteilung der Chirp-Massen bei verschmelzenden bin\u00e4ren Schwarzen L\u00f6chern zu geben, und es gibt Hinweise, dass besonders viele Verschmelzungen mit 8 und 14 Sonnenmassen auftreten (Bild 3). Diese Merkmale entsprechen den vom HITS-Team vorhergesagten universellen Chirps. \u201eJede Auff\u00e4lligkeit in der Verteilung der Massen von Schwarzen L\u00f6chern und Chirps verr\u00e4t uns viel dar\u00fcber, wie sich diese Objekte gebildet haben“, sagt Eva Laplace<\/a>, die dritte Autorin der Studie.<\/p>\n\n\n\n

Nicht in unserer Galaxie: massereiche Schwarze L\u00f6cher aus Doppelsternsystemen<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a>
  Bild 3: Die Verteilung von Chirp-Massen bei allen bisher beobachteten Verschmelzungen bin\u00e4rer Schwarzer L\u00f6cher. Das obere Feld zeigt die Rohdaten und die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Chirp-Massen f\u00fcr die einzelnen F\u00e4lle, das untere ein Model, das unter Einbeziehung aller bisherigen Beobachtungen abgeleitet wurde. Die L\u00fccke bei den Chirp-Massen f\u00fcr 10\u201312 Sonnenmassen und die bislang identifizierten Eigenschaften bei ungef\u00e4hr 8, 14, 27 und 45 Sonnenmassen sind angegeben. Originalabbildung: Abbott et al. 2021.<\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Seitdem die Verschmelzung von Schwarzen L\u00f6chern zum ersten Mal beobachtet wurde, hat sich herausgestellt, dass es noch wesentlich massereichere gibt als die in unserer Milchstra\u00dfe. Dies liegt daran, dass sie von Sternen stammen, deren chemische Zusammensetzung sich von der in unserer Galaxie unterscheidet. Sterne, die in engen Doppelsternsystemen ihre H\u00fclle verlieren, bilden \u2013 unabh\u00e4ngig von ihrer chemischen Zusammensetzung \u2013 Schwarze L\u00f6cher von <9 und >16 Sonnenmassen, aber fast keine dazwischen, wie das Team am HITS herausfand.<\/p>\n\n\n\n

Beim Verschmelzen implizieren die universellen Massen der Schwarzen L\u00f6cher von etwa 9 und 16 Sonnenmassen logischerweise universelle Chirp-Massen, also universelle T\u00f6ne. \u201eBei der Aktualisierung meiner Vorlesung \u00fcber Gravitationswellenastronomie fiel mir auf, dass an den Observatorien f\u00fcr Gravitationswellen erste Hinweise auf ein Fehlen beziehungsweise eine H\u00e4ufung von Chirp-Massen festgestellt wurden. Und zwar genau bei den in unseren Modellen vorhergesagten universellen Massen“, sagt Fabian Schneider. \u201eDa die Zahl der beobachteten Verschmelzungen von Schwarzen L\u00f6chern bislang recht gering ist, muss sich erst noch herausstellen, ob dieses Signal in den Daten nur statistischer Zufall ist“.<\/p>\n\n\n\n

Wie auch immer das Ergebnis k\u00fcnftiger Gravitationswellenbeobachtungen ausfallen wird: Die Ergebnisse werden Forschenden helfen, besser zu verstehen, woher die singenden schwarzen L\u00f6cher in diesem Stimmenmeer kommen.<\/p>\n\n\n\n

Publikation:<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Fabian R. N. Schneider, Philipp Podsiadlowski, and Eva Laplace: Bimodal Black Hole Mass Distribution and Chirp Masses of Binary Black Hole Mergers. The Astrophysical Journal Letters, 950, 2, DOI 10.3847\/2041-8213\/acd77a <\/em>https:\/\/iopscience.iop.org\/article\/10.3847\/2041-8213\/acd77<\/em>a<\/a><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a><\/figure><\/div>\n\n\n\n



<\/em>F\u00fcr das Projekt wurden F\u00f6rdermittel des Europ\u00e4ischen Forschungsrats (ERC) im Rahmen des Programms der Europ\u00e4ischen Union f\u00fcr Forschung und Innovation \u201eHorizont 2020\u201c bereitgestellt (Finanzhilfevereinbarung Nr. 945806).<\/p>\n\n\n\n

Videos:<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Video 1: Chirp-Ger\u00e4usche und erster Nachweis von Gravitationswellen; Die Reise der ersten auf der Erde nachgewiesenen Gravitationswelle. Video: LIGO\/SXS\/R.Hurt and T. Pyle<\/em>: https:\/\/www.ligo.caltech.edu\/video\/ligo20160211v1<\/a><\/p>\n\n\n\n

Video 2: Die Evolution eines massereichen Doppelsterns w\u00e4hrend eines Massenaustauschs. Der massereichere Stern entwickelt sich schneller und expandiert, was zu einem Transfer der \u00e4u\u00dferen Schichten auf den Begleiter f\u00fchrt. Die erste Supernova stammt von einem Stern, dessen H\u00fclle abgestreift wurde. Bild: ESO\/L. Cal\u00e7ada\/M. Kornmesser\/S.E. de Mink<\/em>https:\/\/www.eso.org\/public\/videos\/eso1230b\/<\/a><\/p>\n\n\n\n



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