Simulation einer binären Verschmelzung von Schwarzen Löchern. (N. Fischer/H. Pfeiffer/A. Buonanno/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/Simulating eXtreme Spacetimes-Projekt) Vor etwas mehr als einem Jahr, am 12. April 2019, machte die LIGO-Virgo-Kollaboration eine Entdeckung Gravitationswellen , die sich durch die epische Kollision zweier Planeten durch die Raumzeit ausbreitet Schwarze Löcher aus 2,4 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Erstaunlicherweise ist dies an und für sich mittlerweile nichts Außergewöhnliches mehr.
Aber wie Astronomen jetzt herausgefunden haben, war die tatsächliche GW 190412-Kollision etwas, das wir noch nie zuvor gesehen haben. GW 190412 wurde nicht von zwei ungefähr gleich großen Schwarzen Löchern mit einer 20- bis 40-fachen Sonnenmasse erzeugt, sondern von einem äußerst ungleichmäßigen Doppelstern.
Basierend auf der Analyse dieser kräuselnden Gravitationswellen haben Astronomen herausgefunden, dass eines der Schwarzen Löcher etwa 29,7 Sonnenmassen hatte, während das andere mehr als dreimal kleiner war – nur 8,4 Sonnenmassen.
Dies ist auch die geringste Masse schwarzes Loch Bisher entdeckte Doppelsterne – was äußerst aufregend ist, denn das bedeutet, dass ihre Verschmelzung ein längeres Signal erzeugte als jede andere Verschmelzung Schwarzer Löcher – eine Fülle von Daten, die es zu untersuchen gilt.
„Keine dieser Massen ist für sich genommen allzu überraschend.“ Wir wissen, dass Schwarze Löcher diese Größen haben. „Neu ist das Verhältnis der Massen“, erklärte der Astronom Christopher Berry von der Northwestern University und der LIGO Collaboration in einem Blogbeitrag .
„Mit dieser Beobachtung können wir unsere Vorhersagen testen.“ Gravitationswelle „Signale auf eine neue Art und Weise und ist ein weiterer Teil des Puzzles zum Verständnis der Entstehung binärer Schwarzer Löcher.“
Die Ergebnisse der Zusammenarbeit wurden auf dem virtuellen Apriltreffen der American Physical Society vorgestellt.
Da andere Gravitationswellenereignisse von Schwarzloch-Doppelsternen etwa gleicher Masse erzeugt wurden, spiegelt sich dies im Signal wider. Da die Schwarzen Löcher die gleiche Masse haben, kehren sie bei jeder Umlaufbahn in die gleiche relative Position zurück.
Daraus ergibt sich eine Gravitationswellenfrequenz, die etwa doppelt so hoch ist wie die Umlauffrequenz des Doppelsternsystems, also die Zeit, die die Schwarzen Löcher brauchen, um einander zu umkreisen. Wenn das System jedoch ein erhebliches Massenungleichgewicht aufweist, ist die Umlaufbahn ungleichmäßig. Dadurch entsteht eine zweite, schwächere Gravitationswellenfrequenz.
Dies wurde in GW 190412 beobachtet, das (aus der Familie der Zwitschergeräusche, die man normalerweise bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern findet) zwei unterschiedliche Frequenzen erzeugte, als ob zwei Gitarrensaiten gleichzeitig vibrierten, ein Frequenzdyass.
Erstaunlicherweise entsprachen diese Frequenzen dem Abstand von fünf Noten – was als a bezeichnet wird perfekte Quinte . Wenn du anfängst zu singen Funkel, funkel kleiner Stern , die ersten beiden Funkeln bilden dieses musikalische Intervall.
Diese Frequenzen waren nicht nur wirklich großartig, sondern ermöglichten dem Team auch die Durchführung eines weiteren Tests generelle Relativität , zu. Im Grunde teilten sie das Gravitationswellensignal in einen früheren und einen späteren Teil auf und verwendeten auf der Allgemeinen Relativitätstheorie basierende Gleichungen, um den anderen Teil des Signals für jede Hälfte zu berechnen.
Die Hälften stimmten mit den Berechnungen überein und lieferten einige der bisher aussagekräftigsten Ergebnisse dieses Tests.
Aufgrund des ungewöhnlichen Signals der Fusion konnte das Team noch einige weitere Messungen durchführen. Sie konnten feststellen, dass sich das größere der Schwarzen Löcher drehte – was normalerweise ziemlich schwer zu messen ist und zuvor (und vorläufig) nur bei zwei anderen Fusionen erreicht wurde.
In GW 190412 schien diese Drehung ziemlich schnell zu sein, was ein Hinweis darauf sein könnte, wie ein solch ungleichmäßiges Binärsystem entstanden ist. Sie sehen, es gibt mehrere astrophysikalische Modelle für die Bildung von Doppelsternen von Schwarzen Löchern, aber die meisten davon führen zu Paaren mit mehr oder weniger gleicher Masse.
Das offensichtlichste ist ein Doppelsternsystem, bei dem jeder Stern in ein Schwarzes Loch kollabiert. Es wird jedoch angenommen, dass diese keine binären Schwarzen Löcher mit großen Massenunterschieden erzeugen können, was GW 190412 ausschließt.
Es ist möglich, dass sich die Schwarzen Löcher getrennt gebildet haben, dann irgendwie zusammengekommen sind und sich gegenseitig im Orbit eingefangen haben. Der hohe Spin des größeren Schwarzen Lochs deutet jedoch darauf hin, dass es bereits vor GW 190412 mit anderen Schwarzen Löchern verschmolzen sein könnte.
Befänden sich die Schwarzen Löcher in einem Dreier- oder Vierersystem, könnte es sein, dass das größere Schwarze Loch bereits mit den anderen verschmolzen war. Wenn sie nur im normalen Weltraum herumschweben würden, würde der Rückstoß der Verschmelzung das System stören – aber es gibt ein Szenario, in dem es funktionieren könnte: in der Scheibe um ein aktives supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen einer Galaxie.
Dort könnte die extreme Gravitationsumgebung es Schwarzen Löchern mit Sternmasse ermöglichen, mehrere aufeinanderfolgende Verschmelzungen zu durchlaufen, ohne durch den Rückstoß ausgebremst zu werden.
Zu diesem Zeitpunkt ist es unmöglich, es mit Sicherheit zu wissen, aber mit der Zusammenarbeit zwischen LIGO und Virgo alle paar Tage Entdeckungen machen , müssen wir vielleicht nicht allzu lange auf Antworten warten.
Die Dyade war übrigens nicht der einzige Zufall, den GW 190412 hervorbrachte. Das Massenverhältnis zwischen den beiden Schwarzen Löchern sei „ungefähr gleich dem Verhältnis der Füllung eines regulären Oreo zu einem Mega-Stuf-Oreo“. Berry bemerkte .
„Untersuchungen zu Zusammenhängen zwischen Oreos und der Entstehung von Schwarzen Löchern sind im Gange.“
Den vollständigen Artikel des Teams können Sie hier lesen die LIGO-Website .