Seit Inbetriebnahme der beiden LIGO-Gravitationswellendetektoren in den USA und später auch der europäischen Anlage Virgo in Italien und KAGRA in Japan, haben Astrophysiker bereits die Gravitationswellen von rund 220 kosmischen Kollisionsereignissen eingefangen. Wenn zwei massereiche Objekte sich spiralig aufeinander zu bewegen und dann verschmelzen, setzt dies Energie frei, die sich auch als Erschütterung der Raumzeit manifestiert. Die Detektoren registrieren diese schwachen, nur wenige Minuten andauernden Wellen, weil sich das Interferenzmuster zweier in kilometerlangen Röhren laufenden Laserstrahlen durch diese subtilen Stauchungen und Dehnungen verändert. Der größte Teil der bisher detektierten Gravitationswellen-Ereignisse stammt von der Verschmelzung zweier weit entfernter stellarer Schwarzer Löcher. Einige Ereignisse gingen aber auch auf die Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder ungleiche Kollisionen von Neutronenstern und Schwarzem Loch zurück. Dank immer neuer Fortschritte in der Technik der Gravitationswellendetektoren heben sich die schwachen Signale inzwischen immer deutlicher vom Grundrauschen ab und verraten anhand ihrer Wellenmerkmale mehr Details über das Ereignis.
Verschmelzung mit Obertönen
Dies zeigt sich auch beim aktuell von der LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration berichteten Durchbruch. Das Gravitationswellen-Ereignis GW250114 wurde am 14. Januar 2025 von den beiden Detektoren des LIGO-Gravitationswellen-Observatoriums in den USA eingefangen. Urheber des Signals waren zwei rund 32 Sonnenmassen schwere Schwarze Löcher in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung. “Dieses neue Paar Schwarzer Löcher ist damit fast ein Zwilling des historischen ersten Gravitationswellen-Nachweises von 2015”, sagt Maximiliano Isi von der Columbia University in New York. “Aber unsere Instrumente sind inzwischen so viel besser, so dass wir das Signal heute auf eine Weise analysieren konnten, die vor zehn Jahren noch nicht möglich war.” So detektierte LIGO die Raumzeiterschütterungen mit einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 80 zu eins – viermal besser als beim ersten Gravitationswellen-Ereignis von 2015. “GW250114 ist das lauteste Ereignis, das wir jemals eingefangen haben – vergleichbar einem lauten Ruf gegenüber dem anfänglichen Flüstern”, erklärt Geraint Pratten von University of Birmingham.
Dank dieser Klarheit und mithilfe einer von Isi und seinem Team vor einigen Jahren entwickelten Methode ist es den Physikern erstmals gelungen, nicht nur die Raumzeit-Wellen der sich annähernden Schwarzen Löcher genau zu vermessen, sondern auch das Nachklingen des aus der Verschmelzung resultierenden Schwarzen Lochs. Die Signale dieses Nachklingens halten nur wenige Millisekunden an und sind an speziellen “Obertönen” des Signals erkennbar. “Zehn Millisekunden sind sehr kurz, aber unsere Instrumente sind inzwischen so gut, dass dies ausreicht, um das Schwingen des resultierenden Schwarzen Lochs zu analysieren”, erklärt Isi. “Mit der neuen Detektion haben wir eine außerordentlich detaillierte Sicht des Signals – sowohl vor als auch nach der Verschmelzung.” Dies verriet unter anderem, dass das resultierende Schwarze Loch rund 63 Sonnenmassen schwer ist und sich 100-mal pro Sekunde um sich selbst dreht.
