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Gravitationswellen verraten erstmals die Flugrichtung eines Schwarzen Lochs
Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, können ungleichmäßig abgestrahlte Gravitationswellen den neu entstandenen Himmelskörper davonstoßen. Eine Analyse des Signals GW190412 rekonstruiert erstmals auch die Richtung dieses Rückstoßes im Raum. Die Daten sprechen zudem dafür, dass seine Geschwindigkeit über einer für dichte Sternhaufen typischen Fluchtgeschwindigkeit liegt.
Santiago de Compostela (Spanien). Bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher wird ein Teil ihrer Masse als Gravitationswellen abgestrahlt. Tragen die Wellen in verschiedene Richtungen unterschiedlich viel Impuls davon, erhält das vereinigte Schwarze Loch einen Rückstoß. Wie schnell und in welche Richtung es sich bewegt, beeinflusst, ob es in seiner Umgebung bleibt und später erneut mit einem anderen Schwarzen Loch verschmelzen kann.
Gravitationswellendetektoren registrieren nicht die Flugbahn des fertigen Schwarzen Lochs, sondern winzige Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit. Aus dem aufgezeichneten Wellenmuster lassen sich die Eigenschaften des ursprünglichen Paares erschließen, darunter Massen, Drehbewegungen und räumliche Orientierung. Gerade die Richtung des Rückstoßes war aus solchen Signalen bisher kaum zu bestimmen.
Forscher der Universidade de Santiago de Compostela (USC) um Prof. Juan Calderón Bustillo haben dafür die Gravitationswellen des Ereignisses GW190412 neu ausgewertet. Das Signal wurde 2019 von den Detektoren LIGO und Virgo aufgefangen und stammt von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit deutlich unterschiedlicher Masse. Das Team verglich die Messdaten mit einem Wellenformmodell, das auf numerischen Simulationen der Allgemeinen Relativitätstheorie beruht.
Entscheidend sind sogenannte höhere Schwingungsmoden, also zusätzliche Bestandteile des Gravitationswellensignals, die bei solchen ungleichen Paaren besonders deutlich hervortreten. Bereits die erste Auswertung von GW190412 hatte gezeigt, dass diese zusätzlichen Wellenanteile messbar sind. Ihr Zusammenspiel hängt von der Blickrichtung auf das verschmelzende System ab und verrät dadurch einen zuvor fehlenden Orientierungswinkel.
„Gravitationswellen bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher lassen sich als Überlagerung verschiedener Signale verstehen, ähnlich einem Orchester“, erklärt Prof. Juan Calderón Bustillo.
Die zusätzliche Orientierung lässt sich mit den aus den Massen und Eigendrehungen abgeleiteten Rückstoßwerten verbinden. So entsteht aus einem zeitlich kurzen Gravitationswellensignal eine räumliche Abschätzung, in welche Richtung das Schwarze Loch nach der Verschmelzung geschleudert wurde.
Für GW190412 ergab die statistische Auswertung einen bevorzugten Winkel von rund 44 Grad zwischen Rückstoßrichtung und Blicklinie zur Erde. Der zugehörige 90-Prozent-Glaubwürdigkeitsbereich reicht ungefähr von 27 bis 63 Grad. Gegenüber der Drehimpulsachse der ursprünglichen Umlaufbahn liegt der bevorzugte Rückstoßwinkel bei rund 32 Grad, ebenfalls mit erheblichen Unsicherheiten.
Die Geschwindigkeit ließ sich deutlich weniger präzise eingrenzen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung besitzt einen zentralen Wert von ungefähr 400 Kilometern pro Sekunde, erlaubt aber eine sehr breite Spanne. Einen Rückstoß von mehr als 50 Kilometern pro Sekunde stützt die Analyse mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 95 Prozent.
Diese Schwelle entspricht ungefähr der typischen Fluchtgeschwindigkeit dichter Kugelsternhaufen. Daraus folgt jedoch weder, dass GW190412 tatsächlich in einem solchen Haufen entstand, noch, dass das Schwarze Loch nachweislich aus seiner ursprünglichen Umgebung entkam. Vor allem die Geschwindigkeit ist kein direkt beobachteter, punktgenauer Messwert, sondern ein aus Gravitationswellen und Modellen erschlossener statistischer Befund.