Im Januar 2016 haben Forscher des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) Geschichte geschrieben, als sie die erste Detektion von Gravitationswellen ankündigten. LIGO wird von der National Science Foundation (NSF) unterstützt und von Caltech und MIT betrieben. Es widmet sich der Untersuchung der Wellen, die von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt und durch Fusionen von Schwarzen Löchern verursacht werden.
Laut einer neuen Studie eines Teams von Astronomen vom Center of Cosmology der University of California in Irvine sind solche Fusionen weitaus häufiger als gedacht. Nach einer Untersuchung des Kosmos zur Berechnung und Kategorisierung von Schwarzen Löchern stellte das UCI-Team fest, dass es in der Galaxie bis zu 100 Millionen Schwarze Löcher geben könnte, was erhebliche Auswirkungen auf die Untersuchung von Gravitationswellen hat.
Die Studie mit dem Titel „Zählen schwarzer Löcher: Die kosmische stellare Restpopulation und ihre Auswirkungen auf LIGO“, die ihre Ergebnisse detailliert beschreibt, erschien kürzlich in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Unter der Leitung von Oliver D. Elbert, Postdoc-Student am Fachbereich Physik und Astronomie der UC Irvine, führte das Team eine Analyse der von LIGO detektierten Gravitationswellensignale durch.
Ihre Studie begann vor ungefähr anderthalb Jahren, kurz nachdem LIGO den ersten Nachweis von Gravitationswellen angekündigt hatte. Diese Wellen entstanden durch die Verschmelzung zweier entfernter Schwarzer Löcher, deren Masse jeweils etwa 30 Sonnen entsprach. Wie James Bullock, Professor für Physik und Astronomie an der UC Irvine und Mitautor des Papiers, in einer Pressemitteilung der UCI erklärte:
„Grundsätzlich war die Detektion von Gravitationswellen eine große Sache, da sie eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bestätigte. Aber dann haben wir uns die Astrophysik des tatsächlichen Ergebnisses genauer angesehen, eine Fusion von zwei Schwarzen Löchern mit 30 Sonnenmassen. Das war einfach erstaunlich und hat uns gefragt: "Wie häufig sind Schwarze Löcher dieser Größe und wie oft verschmelzen sie?"
Traditionell waren Astronomen der Meinung, dass Schwarze Löcher normalerweise ungefähr die gleiche Masse wie unsere Sonne haben würden. Als solche versuchten sie, die von LIGO durchgeführten Mehrfachgravitationswellendetektionen im Hinblick auf das zu interpretieren, was über die Galaxienbildung bekannt ist. Darüber hinaus wollten sie einen Rahmen für die Vorhersage künftiger Fusionen von Schwarzen Löchern schaffen.
Daraus folgerten sie, dass in der Milchstraße bis zu 100 Millionen Schwarze Löcher beheimatet sein würden, von denen 10 Millionen eine geschätzte Masse von etwa 30 Sonnenmassen haben würden - also ähnlich denen, die die ersten Gravitationswellen von zusammengeführt und erzeugt haben LIGO im Jahr 2016. In der Zwischenzeit würden Zwerggalaxien - wie der Draco-Zwerg, der in einer Entfernung von etwa 250.000 Metern vom Zentrum unserer Galaxie umkreist - etwa 100 Schwarze Löcher beherbergen.
Sie stellten ferner fest, dass sich die meisten schwarzen Löcher mit geringer Masse (~ 10 Sonnenmassen) heute in Galaxien mit 1 Billion Sonnenmassen (massive Galaxien) befinden, während sich massive schwarze Löcher (~ 50 Sonnenmassen) in Galaxien mit etwa 10 Milliarden Sonnenmassen befinden (dh Zwerggalaxien). Nachdem sie die Beziehung zwischen Galaxienmasse und Sternmetallizität betrachtet hatten, interpretierten sie die Anzahl der Schwarzen Löcher einer Galaxie als Funktion ihrer Sternmasse.
Darüber hinaus wollten sie herausfinden, wie oft Schwarze Löcher paarweise auftreten, wie oft sie verschmelzen und wie lange dies dauern würde. Ihre Analyse ergab, dass nur ein winziger Teil der Schwarzen Löcher an Fusionen beteiligt sein müsste, um den Beobachtungen von LIGO Rechnung zu tragen. Es bot auch Vorhersagen, die zeigten, wie noch größere Schwarze Löcher innerhalb des nächsten Jahrzehnts verschmelzen könnten.
Wie Manoj Kaplinghat, ebenfalls UCI-Professor für Physik und Astronomie und zweiter Mitautor der Studie, erklärte:
„Wir zeigen, dass nur 0,1 bis 1 Prozent der gebildeten Schwarzen Löcher zusammengeführt werden müssen, um zu erklären, was LIGO gesehen hat. Natürlich müssen die Schwarzen Löcher nahe genug kommen, um in einer angemessenen Zeit zu verschmelzen, was ein offenes Problem ist. Wenn die aktuellen Vorstellungen über die Sternentwicklung richtig sind, dann zeigen unsere Berechnungen, dass Fusionen von Schwarzen Löchern mit 50 Sonnenmassen dies tun werden in ein paar Jahren entdeckt werden. "
Mit anderen Worten, unsere Galaxie könnte voller schwarzer Löcher sein, und Fusionen könnten regelmäßig stattfinden (relativ zu kosmologischen Zeitskalen). Daher können wir davon ausgehen, dass in den kommenden Jahren viel mehr Gravitationswellendetektionen möglich sein werden. Dies sollte nicht überraschen, da LIGO seit dem Winter 2016 zwei zusätzliche Erkennungen vorgenommen hat.
Mit viel mehr erwarteten Astronomen werden viele Möglichkeiten haben, Fusionen von Schwarzen Löchern zu untersuchen, ganz zu schweigen von der Physik, die sie antreibt!
