Wer hat gesagt, dass Schwarze Löcher unbesiegbar sind? Schwarze Löcher werden außerdem mit einer Geschwindigkeit von 5.000 Kilometern pro Sekunde aus der Galaxie „geschleudert“!

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Beispielsweise wird der Rückstoß beim Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher in einem Doppelsternsystem dem verschmolzenen Schwarzen Loch durch den Impulsverlust einen rückstoßartigen „Stoß“ verleihen. Bei einigen Doppelsternen kann der Stoß Geschwindigkeiten von bis zu 5.000 Kilometern pro Sekunde erreichen, mehr als die Fluchtgeschwindigkeit der meisten Galaxien, sagte Vijay Varma, Astrophysiker am Caltech und künftiger Klarman Fellow am College of Arts and Sciences der Cornell University. Die Forscher entwickelten eine neue Methode, mit der sie auf der Grundlage von Gravitationswellenmessungen vorhersagen können, wann ein letztes Schwarzes Loch in seiner Wirtsgalaxie verbleibt und wann es ausgestoßen wird.

Solche Messungen könnten ein entscheidendes fehlendes Puzzleteil zur Entstehung massereicher Schwarzer Löcher liefern und Einblicke in die Galaxienentwicklung sowie Tests der allgemeinen Relativitätstheorie bieten. Varma ist der Hauptautor einer Studie über die Extraktion des Gravitationsrückstoßes aus Signalen von Schwarzlochverschmelzungen, die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde. Die Studie wurde gemeinsam mit Maximiliano Isi und Silvia Biscoveanu vom MIT verfasst. Wenn Schwarze Löcher durch Doppelsternsysteme kreisen, transportieren ihre Gravitationswellen Energie und Drehimpuls ab, was dazu führt, dass sich das Doppelsternsystem zusammenzieht, während es sich spiralförmig nach innen bewegt.

Wenn ein System Asymmetrien aufweist, wie etwa ungleiche Massen, werden Gravitationswellen nicht gleichmäßig in alle Richtungen ausgesendet, was zu einem Nettoverlust an linearem Impuls und damit zu einem Rückstoß führt. Die meisten Rückstoßvorgänge finden in der Nähe der Verschmelzung statt und können einen Schock erzeugen, der groß genug ist, um das neu verschmolzene Schwarze Loch aus seiner Wirtsgalaxie herauszuschleudern. Das Modell der Forscher basiert auf Supercomputersimulationen, die Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie numerisch lösen. Diese Simulationen sind Teil einer größeren Studie, die im Rahmen der Simulating Extreme Spacetimes (SXS)-Zusammenarbeit durchgeführt wird.

An der Zusammenarbeit sind Forschungsgruppen des Caltech und der Cornell University beteiligt, wobei Saul Tekolsky, Hans A. Bitter-Professor für Physik an der Cornell University, als Gruppenleiter fungiert. „Diese Forschung zeigt, dass Gravitationswellensignale auf unerwartete Weise zum Verständnis astrophysikalischer Phänomene verwendet werden können“, sagte Tekolsky. „Man ging davon aus, dass wir mehr als ein Jahrzehnt warten müssten, um Detektoren zu finden, die empfindlich genug sind, um diese Art von Arbeit zu leisten, aber diese Forschung zeigt, dass wir es jetzt tatsächlich tun können, und das ist sehr aufregend!“

Die Abbildungen 3, 4 und 5 veranschaulichen: Diese Simulation zeigt die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit 35 Sonnenmassen und eines Schwarzen Lochs mit 25 Sonnenmassen, gefolgt vom Rückstoß, den die verschmolzenen Schwarzen Löcher erfahren. Um dies hervorzuheben, wurde die Simulation nach der Fusion beschleunigt. Die Pfeile zeigen die Rotation (den Spin) der Schwarzen Löcher, die mit dem Drehimpuls der Umlaufbahn (rosa Pfeile) interagieren und bei der Entwicklung des Doppelsternsystems ein Taumeln der Umlaufbahnebene verursachen. Die blauen und roten Kugeln zeigen die Gravitationswellenmuster, die während der Kollision entstanden sind.

Obwohl die bestehenden öffentlich verfügbaren Gravitationswellensignale der Gravitationswellenobservatorien LIGO und Virgo nicht stark genug sind, um den Rückstoß gut zu messen, wird diese Methode mit der Verbesserung dieser Detektoren in den kommenden Jahren in der Lage sein, diesen „Kick“ zuverlässig zu messen, und dieser „Kick“ hat auch die unbesiegbaren Schwarzen Löcher in Verlegenheit gebracht, die schon immer unbesiegbar waren. Schwarzes Loch: Kann ich tatsächlich aus der Galaxie „geworfen“ werden?

Boco Park | Forschung/Von: Cornell University

Referenzzeitschrift: Physical Review Letters

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