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News: Die größten Crashs im Universum

Wie zwei Schwarze Löcher bei einer streifenden Kollision miteinander verschmelzen, haben erstmals Wissenschaftler des Max-Planck- Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Golm bei Potsdam mit Computerhilfe berechnet. Solche Simulationen sind eine wichtige Voraussetzung für den geplanten Nachweis von Gravitationswellen, die bei den heftigsten Crashs im Universum entstehen.
Schwarze Löcher sind extrem verdichtete Objekte, deren Anziehungskraft weder Licht noch andere elektromagnetische Strahlung entkommen läßt. Deshalb sind die Chancen nicht sehr groß, sie zu entdecken. In wenigen Jahren wird es jedoch eine alternative Nachweismethode geben. Gravitationswellen – winzige "Kräuselungen" der Raumzeit, die bei der Bewegung großer Massen entstehen – sollen mit speziellen Detektoren aufgespürt werden.

Mit numerischen Simulationen, die Aussagen über die zu erwartenden Profile von Gravitationswellen liefern, bereitet sich am Albert-Einstein-Institut eine Arbeitsgruppe um Edward Seidel auf diese Aufgabe vor. "Kollidierende Schwarze Löcher gehören zu den aussichtsreichsten Kandidaten für den Nachweis von Gravitationswellen", sagt Seidel. In den vergangenen Jahren sei es zwar gelungen, die Veränderungen der Amplitude und Frequenz von Gravitationswellen Schwarzer Löcher auf direktem Kollisionskurs zu berechnen. Solche Crashs gibt es aber wahrscheinlich nur sehr selten im All. Häufiger sind vielmehr Zusammenstöße rotierender "schwarzer Monster", die sich auf spiralförmigen Bahnen einander näher kommen.

Die weltweit ersten, vollständig räumlichen Rechnungen der Annäherung und des "nichtfrontalen" Zusammenstoßes zweier Schwarzer Löcher hat kürzlich Bernd Brügmann vom Albert-Einstein-Institut durchgeführt und im International Journal of Modern Physics vom 1999 veröffentlicht. Die numerischen Simulationen erfolgten auf dem 32-Prozessor-Computer "Origin 2000" des Albert-Einstein-Instituts und zeitweilig auch auf dem 256-Prozessor-Rechner des National Center for Supercomputing Applications (NCSA) an der University of Illinois. Mit einer am Konrad-Zuse-Zentrum in Berlin entwickelten Visualisierungssoftware hat Werner Benger die Vorgänge in bewegten Bildern dargestellt. Die Simulationen zeigen, wie "schwarze Monster" von weniger als zehn bis zu vielen hundert Millionen Sonnenmassen verschmelzen und Gravitationswellen erzeugen.

Während der Annäherungsphase der Schwarzen Löcher entstehen sehr schwache, aber regelmäßige Signale. Der scheinbare Horizont, der eine Näherung für die Oberfläche des Schwarzen Loches darstellt, jenseits der kein Lichtstrahl mehr das Schwarze Loch verlassen kann, wird gestreckt und nimmt schließlich die Form einer Erdnuß an. Dann verschmelzen die scheinbaren Oberflächen der Objekte wie zwei Wassertropfen miteinander. Innerhalb weniger Mikrosekunden wächst die Amplitude der Gravitationswellen sehr stark an, und auch ihre Frequenz nimmt deutlich zu. Danach klingen die Schwingungen – ähnlich wie bei einer Kirchenglocke – langsam aus, während die fusionierten Schwarzen Löcher einen gemeinsamen Horizont von kugelförmiger Gestalt bilden.

Die Berechnungen zeigen zum Beispiel, daß zwei Schwarze Löcher mit zehn beziehungsweise 15 Sonnenmassen, die aus rund fünfzig Kilometern Abstand in weniger als 200 Mikrosekunden "aufeinanderspiralen" und verschmelzen, etwa ein Prozent ihrer Gesamtmasse als Gravitationswellen aussenden. "Das ist ein gigantischer Energiebetrag, der etwa tausendmal größer ist als die von der Sonne in fünf Milliarden Jahren freigesetzte Strahlung", erläutert Brügmann. Da Wissenschaftler solche Crashs im Universum vorwiegend in sehr großen Entfernungen erwarten, sind die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Raumverzerrungen in Erdnähe dennoch sehr winzig. Sie entsprechen in etwa der Änderung einer einen Kilometer langen Strecke um weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons.

Mit dem Gravitationswellenexperiment GEO 600 – ein gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Universität Hannover entwickelter Detektor mit zwei je 600 Meter langen Interferometern – das Ende 2000 bei Hannover in Betrieb gehen soll, wird man diese Winzigkeit messen können. Vorsichtigen Schätzungen zufolge könnten Kollisionen stellarer Schwarzer Löcher im Umkreis von 600 Millionen Lichtjahren statistisch einmal pro Jahr auftreten. Die jetzt durchgeführten Berechnungen sind die Voraussetzung, um die kurzzeitigen und schwachen Signale aus den gemessenen Daten herausfiltern zu können. Außerdem werden die Simulationen eine Interpretation der gemessenen Wellenprofile überhaupt erst ermöglichen sowie astrophysikalische und kosmologische Fragen beantworten helfen. "Ich glaube, daß die Erforschung Schwarzer Löcher eines der Schlüsselthemen in der Astronomie des ersten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts sein wird", bekräftigt Bernard Schutz, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, die hohen Erwartungen der Wissenschaftler. "Zwar läßt sich mit ihnen nicht experimentieren, doch indem wir ihr Verhalten im Computer simulieren, erfahren wir eine Fülle von Einzelheiten."

Ein langfristiges Forschungsziel wird es sein, die Wechselwirkungen zweier rotierender Schwarzer Löcher während mehrerer Umläufe um ihren gemeinsamen Schwerpunkt zu simulieren. Das erfordert jedoch nicht nur eine weitere Erhöhung der Rechnerkapazitäten, sondern auch Verbesserungen bei den Lösungsansätzen der komplizierten Feldgleichungen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.

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