Fusion des masseereichsten Schwarzen Löcher aller Zeiten über LIGO beobachtet

• Die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration hat die bislang massereichste per Gravitationswellen beobachtete Verschmelzung Schwarzer Löcher entdeckt
• Durch diese Verschmelzung entstand ein Schwarzes Loch mit etwa der 225-fachen Sonnenmasse
• Die Verschmelzung weist eine hohe Masse auf, die sich mit der Standardtheorie der Sternentwicklung nicht erklären lässt, und testet damit die Grenzen von Theorie und Beobachtung
• Beteiligte Wissenschaftler erwarten durch die extrem schnelle Rotation und die komplexe Signalanalyse Fortschritte in der Forschung zu Schwarzen Löchern und bei der Entwicklung von Algorithmen
• Die Beobachtung markiert einen neuen Wendepunkt für Datenanalyse, Instrumententechnik und Theorieentwicklung in der Gravitationswellenastronomie

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LIGO, Virgo und KAGRA entdecken die massereichste Verschmelzung Schwarzer Löcher aller Zeiten

Die LIGO-Virgo-KAGRA-(LVK)-Kollaboration hat mithilfe der von der US National Science Foundation (NSF) geförderten LIGO-Observatorien die bislang massereichste per Gravitationswellen beobachtete Verschmelzung Schwarzer Löcher entdeckt. Das bei dieser Kollision entstandene finale Schwarze Loch hat nach Angaben der Forscher etwa die 225-fache Sonnenmasse. Das Gravitationswellensignal erhielt die Bezeichnung GW231123 und wurde am 23. November 2023 während des vierten Beobachtungslaufs des LVK-Netzwerks detektiert.

Geschichte und Entwicklung von LIGO

LIGO erregte 2015 große Aufmerksamkeit, als dort die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen gelang. Damals wurde nach einer Kollision Schwarzer Löcher auch ein Schwarzes Loch mit der 62-fachen Sonnenmasse nachgewiesen. Die beiden LIGO-Detektoren in Livingston, Louisiana, und Hanford, Washington, erfassten das Signal gemeinsam. Später schloss sich LIGO mit Virgo in Italien und KAGRA in Japan zur LVK-Kollaboration zusammen. Seit 2015 wurden in vier Beobachtungsläufen mehr als 300 Verschmelzungen Schwarzer Löcher beobachtet.

Jüngster Rekordfall einer Verschmelzung

Zuvor galt das Ereignis GW190521 aus dem Jahr 2021 als die massereichste beobachtete Verschmelzung Schwarzer Löcher, mit einer Gesamtmasse vom 140-Fachen der Sonne. Beim aktuellen Ereignis GW231123 verschmolzen zwei Schwarze Löcher mit etwa der 100- beziehungsweise 140-fachen Sonnenmasse zu einem Schwarzen Loch mit der 225-fachen Sonnenmasse. Es wird vermutet, dass sich diese Schwarzen Löcher extrem schnell drehen.

Mark Hannam von der LVK-Kollaboration sagte, „dieses beobachtete Doppel aus Schwarzen Löchern lässt sich mit bestehenden Theorien der Sternentwicklung nur schwer erklären und deutet möglicherweise auf wiederholte Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher hin“. Dave Reitze von LIGO erklärte, „die Beobachtung von Gravitationswellen hat große Fortschritte dabei ermöglicht, das Wesen Schwarzer Löcher und die ungewöhnlichen Eigenschaften des Universums aufzudecken“.

Neuer Rekord und wissenschaftliche Herausforderung

Die bei GW231123 beobachtete hohe Masse und extrem schnelle Rotation testen die Grenzen heutiger Technologien zur Gravitationswellendetektion und theoretischer Modelle. Durch die schnelle Rotation, die sich dem von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erlaubten Grenzwert nähert, werden Interpretation und Modellierung des Signals besonders schwierig. Charlie Hoy von der University of Portsmouth bewertete dies mit den Worten, „dieser Fall bietet eine bedeutende Chance für Fortschritte bei theoretischen Werkzeugen und der Entwicklung von Algorithmen“.

Die Forschenden gehen davon aus, dass es Jahre dauern könnte, die Muster und die Bedeutung dieses Signals vollständig zu entschlüsseln. Gregorio Carullo von der University of Birmingham analysierte, „die Verschmelzung selbst ist zwar die wahrscheinlichste Erklärung, doch da es sich um ein komplexes Phänomen handelt, das mit bestehenden Theorien nicht erklärt werden kann, könnten sich auch Hinweise auf neue Interpretationen ergeben“.

Erweiterung der Grenzen der Gravitationswellenastronomie

Gravitationswellendetektoren wie LIGO, Virgo und KAGRA messen winzige Verzerrungen der Raumzeit, die durch gewaltige physikalische Ereignisse im Universum entstehen. Der vierte Beobachtungslauf begann im Mai 2023; weitere Daten sollen im Sommer 2024 veröffentlicht werden. Sophie Bini vom Caltech erklärte, „dieses Ereignis ist ein praktisches Beispiel dafür, wie die derzeitigen Grenzen von Datenanalyse und Instrumententechnik überwunden werden können, und deutet auf viele Möglichkeiten für die künftige Forschung in der Gravitationswellenastronomie hin“.

Die Ergebnisse zu GW231123 sollen auf der GR24/Amaldi-Konferenz vorgestellt werden, die vom 14. bis 18. Juli 2025 im schottischen Glasgow stattfindet. Die für GW231123 verwendeten kalibrierten Daten werden über das Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC) veröffentlicht, sodass Wissenschaftler im In- und Ausland sie für weitere Forschung nutzen können.

Vorstellung der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration

• LIGO wird mit Unterstützung der US-amerikanischen NSF von Caltech und MIT betrieben und erhält wichtige Förderung aus Deutschland (Max Planck Society), dem Vereinigten Königreich (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council). Mehr als 1.600 Wissenschaftler aus aller Welt sind beteiligt
• Die Virgo Collaboration besteht aus rund 880 Personen aus 152 Institutionen in 17 europäischen Ländern. Der Virgo-Detektor nahe Pisa in Italien wird gemeinsam von EGO (Europäische Gravitationswellenwarte), CNRS (Französisches Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung), INFN (Italienisches Nationalinstitut für Kernphysik) und Nikhef (Niederländisches Nationalinstitut für subatomare Physik) unterstützt
• KAGRA befindet sich in Kamioka in der japanischen Präfektur Gifu und verfügt über ein 3 km langes Laserinterferometer im Untergrund. Es wird gemeinsam von ICRR der Universität Tokio, dem National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) getragen. Mehr als 400 Personen aus 128 Institutionen in 17 Ländern und Regionen sind beteiligt

Weitere Informationen oder Forschungsmaterialien sind auf den offiziellen Websites der jeweiligen Institutionen verfügbar.

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Hacker-News-Kommentare

• Ein Schwarzes Loch mit etwa 225 Sonnenmassen bedeutet, dass es aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit jeweils etwa 100 und 140 Sonnenmassen entstanden ist. Ich frage mich also, ob 15 Sonnenmassen in Energie umgewandelt wurden, denn das wäre eine gewaltige Energiemenge.
  • Man kann sagen, dass die Atombombe Tsar Bomba etwa 2,3 kg Materie in Energie umgewandelt hat. Eine Sonnenmasse entspricht etwa 2 x 10^30 kg, also hat dieses Ereignis Energie in der Größenordnung von 10^31 Tsar Bombas freigesetzt. Solche Zahlen sind intuitiv kaum fassbar, deshalb noch einmal anders betrachtet: Die Sonne strahlt über ihre gesamte Lebensdauer nur etwa 0,034 % ihrer Masse als Energie ab. Die Energie einer Sonnenmasse entspricht also der gesamten Lebensdauer von 3.000 Sonnen. Die bei diesem Ereignis freigesetzte Energie entspricht ungefähr der gesamten Lebensdauerenergie von 45.000 Sonnen. Ich vermute, dass der Großteil davon in den letzten Sekunden der Verschmelzung abgegeben wurde. Referenz: Berechnung zur Energieumrechnung, Referenz zum Massenverlust der Sonne
  • Das würde bedeuten, dass die Masse in Energie umgewandelt wurde und das Schwarze Loch verlassen hat. Ich verstehe nicht ganz, wie das möglich ist, wenn nicht einmal Licht aus einem Schwarzen Loch entkommen kann. Falls es in Form von Gravitationswellen geschieht, kommt man zwangsläufig zu dem Schluss, dass der Großteil der Energie auf diese Weise entkommt. Man muss also nicht auf Hawking-Strahlung warten.
  • Ich frage mich, in welche Form von Energie diese Masse umgewandelt wird.
  • Menschen können sich das zwar vorstellen, aber es ist mehr Energie, als alle Sterne im beobachtbaren Universum in diesem Moment abstrahlen.
  • Genau, und trotzdem ist die Gravitation so schwach, dass sich diese enorme Energie bei der Entfernung zwischen Erde und Mond nur als relative Stauchung in der Größenordnung einer Haarbreite äußert (weniger als 10^-20).
• Dieses Phänomen ist wirklich faszinierend. „Die Schwarzen Löcher rotieren sehr schnell und nähern sich fast der Grenze, die die Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt“, erklärt Charlie Hoy von der University of Portsmouth. Dadurch wird die Modellierung und Interpretation des Signals schwierig. Dieser Fall ist ein hervorragendes Studienobjekt, um theoretische Werkzeuge weiterzuentwickeln.
  • Es fühlt sich an, als hätte uns die Natur einen Stresstest für die Allgemeine Relativitätstheorie hingeworfen.
  • Ich frage mich, ob allein die Rotation eines kugelförmigen Himmelskörpers schon Gravitationswellen erzeugt.
• Im vor einem Monat vorgeschlagenen NSF-Haushaltsentwurf stand die mögliche Schließung eines der beiden LIGO-Observatorien in den USA im Raum. Das würde die Fähigkeit zur Triangulation der Position solcher Ereignisse wie dieser Schwarzen-Loch-Verschmelzung massiv verschlechtern. Eine Schließung würde auch die Rauschgrenze und die Detektionsrate schwer treffen. Weiß jemand, ob dieser Schließungsplan noch verfolgt wird? Referenzlink
  • Der vorgeschlagene Haushalt soll morgen (15. Juli, 12:00 Uhr) geprüft werden. Das aktuelle NSF-Budget liegt bei etwa 7 Milliarden Dollar und ist gegenüber FY2025 um 23 % gekürzt. Ich weiß nicht genau, welche Auswirkungen das speziell auf LIGO hat. Link zu den Haushaltsdetails
  • Letzte Woche war ich beim virgo ego Event in Pisa (praktisch ein Cousin von LIGO). Es war eine Veranstaltung zum 10. Jahrestag der Entdeckung der Gravitationswellen. Ein Schauspieler las aus einem Buch des italienischen Programmdirektors, und auf dem Saxofon wurden Wellengeräusche gespielt. Ich kann kaum in Worte fassen, wie bewegend das war. Es gab auch Zeit für Interviews mit dem Leiter des Virgo-Zentrums und einem Wissenschaftskommunikator, und der Leiter war ziemlich wütend über die möglichen Budgetkürzungen bei LIGO. Zu Recht.
  • Man muss weiter beobachten, ob der endgültige Haushalt für FY 2026 beide LIGO-Standorte beibehält. Bis dahin bleibt das ein reales Risiko. Aber noch ist es nicht völlig unumkehrbar.
  • Weltweit sind derzeit mehrere Gravitationswellendetektoren in Betrieb. Ich frage mich, warum die Schließung eines LIGO-Standorts für die Triangulation so kritisch wäre.
  • Vielleicht ist das auch der Grund, warum diese Entdeckung aus dem Jahr 2023 erst jetzt als Paper veröffentlicht wird.
• Ich brauche wirklich gute Nachrichten. Ich frage mich, ob diese Art von Entdeckung irgendwann einmal Wege eröffnen könnte, das Leben der Menschheit praktisch zu verbessern, selbst wenn nur sehr indirekt. Es geht mir nicht um die Debatte über den „Nutzen der Grundlagenforschung“; ich stimme zu, dass sie an sich wertvoll ist. Aber ich kann mir schwer vorstellen, wie das langfristig nützlich werden könnte.
  • Ich bin kein Fachmann, aber sehr interessiert, und es gibt definitiv positive Aspekte solcher Fortschritte. Einer davon ist, dass Gravitationswellen Signale sein können, die uns etwas über Ereignisse im frühen Universum verraten. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) ist zum Beispiel das Signal früher Photonen, die kurz nach dem Urknall bzw. der Inflation ausgesendet wurden. Das Universum war in den ersten 300.000 Jahren jedoch für Photonen undurchsichtig, und trotzdem haben wir mit diesen Daten kosmologische Theorien geprüft und widerlegt. Gravitationswellen werden im Gegensatz zu Photonen von nichts aufgehalten und tragen Signale seit der Entstehung des Universums, sodass sie noch klarere Informationen liefern könnten. Dadurch könnten neue Einsichten in Quantenmechanik, Relativitätstheorie und andere Grundlagen der Physik möglich werden. Das führt auch zur Multi-Messenger-Astronomie, bei der Ereignisse über Photonen, Neutrinos und Gravitationswellen gleichzeitig beobachtet werden und dadurch tiefere Erkenntnisse liefern. Da Fortschritte in der Grundlagenphysik langfristig oft das Leben auf der Erde verbessert haben, kann man optimistisch bleiben. Ich hoffe, das gibt etwas Zuversicht, dass die Welt ein wenig besser werden kann.
  • Auf die Frage „Wie könnte diese Forschung langfristig nützlich werden?“ lautet meine ehrliche Antwort: Ich weiß es nicht. Aber Schwarze Löcher liegen wissenschaftlich so nah wie kaum etwas anderes an den Grenzen unseres Wissens. Was jenseits des Ereignishorizonts passiert, wissen wir überhaupt nicht und werden es experimentell vielleicht nie erfahren. Wenn man mehr versteht, führt das manchmal zu Durchbrüchen, die technologische Entwicklung sprunghaft voranbringen. Das ist ein Bereich mit enormem Potenzial. In den meisten Fällen sind Fortschritte außerhalb der direkt betroffenen Branchen allerdings ziemlich „langweilig“.
  • Der praktische Nutzen solcher Forschung liegt nicht in „dem Ergebnis selbst“, sondern in der Methodik, mit der dieses Ergebnis erzielt wird. LIGO erfordert extrem präzise Laser, stabile Plattformen, hochpräzise Positionsmessung und enorme Software-Systeme. Solche Anforderungen treiben echte Fortschritte und Innovationen an. Ein Beispiel für einen Nebeneffekt astronomischer Forschung sind CMOS-Sensoren (digitale Kameras). Wenn man die Kamera im Handy benutzt, denkt man nicht daran, dass so etwas aus Forschung zur Messung stellarer Distanzen hervorgegangen ist, aber genau so funktioniert dieser Effekt.
  • In der Geschichte haben wohlhabende Zivilisationen monumentale Bauwerke errichtet, um ihre Größe zu zeigen. In ähnlicher Weise ist unsere Investition gesellschaftlicher Produktivität in Grundlagenforschung wie die Schaffung eines großen Kunstwerks. Der Nachweis einer Schwarzen-Loch-Verschmelzung hat keinen praktischen Nutzen, ist aber ein intellektuelles Monument in unserem Versuch, das Wesen des Universums zu begreifen. So wie wir uns noch heute an die alten Ägypter erinnern, hoffe ich, dass auch unsere Leistungen lange fortbestehen.
• Ich dachte immer, der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs sei stets kugelförmig. Aber meine physikalische Intuition sagt mir, dass ein Schwarzes Loch direkt nach der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher zumindest anfangs eher „erdnussförmig“ sein müsste. Je nach innerer Massenverteilung könnte eine unregelmäßige Form vielleicht sogar bestehen bleiben.
  • Dass der Ereignishorizont kugelförmig ist, gilt für ein Schwarzschild-Schwarzes-Loch (nicht rotierend). Rotierende Schwarze Löcher heißen Kerr-Schwarze-Löcher und haben viele seltsame Eigenschaften. Außen gibt es eine merkwürdige Grenzregion namens Ergosphäre, in der die Raumzeit mitgerissen wird, sodass man nicht stillstehen kann, und man kann ein Schwarzes Loch sogar nutzen, um Objekte zu beschleunigen. Im Inneren gibt es eine noch seltsamere Grenze namens Cauchy-Horizont, die theoretisch Zeitreisen ermöglichen könnte. Die Singularität hat Ringform. Während einer Verschmelzung wird das vermutlich noch viel bizarrer. Kerr-Metrik-Wiki, Paper zu Kerr-Schwarzen-Löchern, Ergosphäre-Wiki, Cauchy-Horizont-Wiki, ich habe das beim Nachlesen ergänzt; es ist komplex, daher kann ich nicht garantieren, dass es exakt stimmt, aber ich habe mein Bestes gegeben.
  • Ich glaube, über die Form des Ereignishorizonts zu sprechen ist schwierig, weil die übliche Definition einer Kugel „die Menge aller Punkte mit gleichem Abstand zu einem Punkt“ ist. Auf differenzierbaren Mannigfaltigkeiten wird das schon kompliziert, und durch die Singularität kann der Abstand unendlich werden oder es gibt geometrisch keinen eindeutigen Bezugspunkt. Deshalb geht man oft zu einer Definition über als „Fläche konstanter skalarer Krümmung mit derselben Topologie wie eine Kugel“, was sie von einer Ebene oder einer hyperbolischen Fläche unterscheidet. Intuitiv würde ich bei einem Kerr-Schwarzen-Loch oder bei einem Schwarzen Loch während einer Verschmelzung ebenfalls an eine Minzbonbon- oder Erdnussform denken (wahrscheinlich mit Sattelpunkten). In Koordinaten sieht das sicher so aus, aber je nach Wahl des Koordinatensystems kann auch ein Schwarzschild-Schwarzes-Loch koordinatenmäßig erdnussförmig erscheinen. Deshalb halte ich Koordinaten hier nicht für besonders aussagekräftig.
  • Es gibt eine Verschmelzungsanimation von MIT/CalTech, Animationsvideo
  • Aus unserer Perspektive ist der Ereignishorizont tatsächlich noch nicht vollständig fertig ausgebildet. Für einen äußeren Beobachter dauert es unendlich lange, bis ein kollabierender Stern den Zustand eines Schwarzen Lochs erreicht. In den meisten Situationen sieht der kollabierende Stern zwar wie ein Schwarzes Loch aus, aber bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher kann der Ereignishorizont noch nicht vollständig ausgebildet sein, sodass Energie abgestrahlt werden kann. In solchen Fällen entsteht ein wichtiger Unterschied.
• Ich frage mich, was passieren würde, wenn ein Schwarzes Loch mit ultrarelativistischer Geschwindigkeit gewissermaßen durch ein anderes hindurchfliegt.
  • Die Raumzeit um ein Schwarzes Loch ist extrem gekrümmt. Man stellt sich leicht vor, dass sie „nahe Lichtgeschwindigkeit kollidieren“, aber bei Schwarzen Löchern verschränkt sich die Raumzeit so, dass es beim Annähern sogar so aussehen kann, als käme eines vollständig zum Stillstand. Je nach Position und Geschwindigkeit des Beobachters kann das völlig unterschiedlich erscheinen. Es ist schwer, sich auch nur auf Grundlegendes zu einigen. Zum Beispiel sieht man von außen nie, wie etwas in ein Schwarzes Loch fällt, selbst wenn es ein anderes Schwarzes Loch wäre; man sieht nur, wie seine Geschwindigkeit gegen null geht und es rotverschoben verblasst. Wirklich schwierig und kontraintuitiv.
  • Die beiden Schwarzen Löcher würden letztlich verschmelzen und ein Schwarzes Loch mit addiertem Impuls bilden. Weil aus dem Ereignishorizont nichts entkommen kann, verhalten sich Schwarze Löcher im Grunde vollständig klebrig.
  • Innerhalb des Ereignishorizonts ist die Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit, daher können sich Schwarze Löcher einander nicht schneller als das nähern. Wenn ihre Bahnen perfekt zusammenpassen, können sie der gegenseitigen Gravitation nicht entkommen. Anstatt dass zwei Schwarze Löcher einander einfach durchdringen, ähnelt es eher der Kollision extrem starker Magnete.
  • Schade, dass wir keinen Teilchenbeschleuniger im Weltraum bauen können, um so etwas zu testen.
• Es ist erstaunlich, dass LIGO, Virgo und KAGRA derart extreme Signale tatsächlich detektieren und interpretieren können.
• Ich frage mich, wie die Budgetaussichten für LIGO sind und ob es nach der Verabschiedung von BBB letzte Woche zu Kürzungen gekommen ist.
• Ich frage mich, was passiert, wenn Schwarze Löcher kollidieren. „Verschlingt“ dann eines das andere, oder wird daraus einfach ein größeres Schwarzes Loch, wird es dichter oder einfach nur größer?
  • Sie verschmelzen zu einem größeren Schwarzen Loch. Der größte Teil der Masse bleibt erhalten, ein Teil wird als Gravitationswellen abgestrahlt. Da die Masse proportional zum Radius ist, sinkt die Dichte bei einer Verschmelzung sogar. Würde man zum Beispiel mehrere Schwarze Löcher in einer Linie anordnen und verschmelzen, dann würde der gesamte umschließende kugelförmige Raum selbst zu einem Schwarzen Loch werden. Ein Schwarzes Loch mit der Masse des gesamten Universums hätte ein Volumen von der Größe des Universums.
  • Sie vereinigen sich zu einem Schwarzem Loch mit größerer Masse. Das Volumen einschließlich des Ereignishorizonts wird nur durch die Masse bestimmt; unabhängig davon, wie es entstanden ist, gilt also: gleiche Masse, gleiche Dichte. Beim „Verschlingen“ ist es ähnlich wie bei zwei Löchern in einem Stück Stoff, die beim Einreißen zusammenlaufen und zu einem einzigen Loch werden; es ist schwer zu sagen, ob dann das größere das kleinere „verschlungen“ hat.
  • Was im Inneren passiert, weiß man nicht. Schwarze Löcher werden nur durch drei Größen beschrieben: Masse, Spin (Drehimpuls) und Ladung. Nach der Verschmelzung erwartet man, dass sich diese Größen addieren. Schnelle Rotation kann dazu führen, dass der Spin nach der Verschmelzung nahe an den Grenzwert kommt, und Gravitationswellen können die Energie eines überschüssigen Spins abtragen.
  • Nach meinem Verständnis umkreisen sich zwei Schwarze Löcher und nähern sich einander ewig an. Aus unserer Perspektive sehen wir nie tatsächlich, wie etwas in ein Schwarzes Loch fällt. Wegen der Zeitdilatation sieht man nie, dass etwas den Horizont wirklich überschreitet. Eine ausführlichere Erklärung gibt es hier: Q&A zur Zeitdilatation
  • Im Prinzip addieren sich die Massen zweier Schwarzer Löcher, sodass ein größeres Schwarzes Loch entsteht. Diese größere Masse erzeugt stärkere Gravitation, wodurch sich der Ereignishorizont nach außen ausdehnt.
• Der Witz lautet: Wenn es keine Waveform (keinen Chirp) gibt, ist es nicht passiert.