Alles im Weltall ist in Bewegung. Daher kommt es auch vor, dass zwei Galaxien zusammenstoßen - und mit ihnen die massiven Schwarzen Löcher, die in ihren Zentren vermutet werden. Diese Kollisionen zählen zu den mächtigsten Ereignissen im Universum, erläutert die Physikerin Joan Centrella vom Goddard-Forschungszentrum der Nasa. "Jede von ihnen erzeugt mehr Energie als alle Sterne im All zusammen."
Centrella hat mit ihren Kollegen nun zum ersten Mal einen kleinen Zusammenstoß dieser Art am Computer simuliert. Dabei berechneten sie auch, welche Gravitationswellen frei werden, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren. Diese Wellen ähneln denjenigen, die sich auf der Oberfläche eines Teichs ausbreiten, nachdem ein Stein hineingeworfen wurde. Während sie mit Lichtgeschwindigkeit durchs All rasen, lassen sie die Objekte, die sie durchqueren, für einen Moment ein wenig länger und dann wieder kürzer werden.
Dieser Effekt, der aus Albert Einsteins Relativitätstheorie folgt, ist jedoch äußerst schwach. Ein Lineal, das von der Erde bis zur Sonne reicht, würde von einer Gravitationswelle nur um die Breite eines Atoms verlängert. Diese Konsequenz der Relativitätstheorie ist daher bis heute nicht bestätigt worden. In den nächsten Jahren soll sie jedoch mit hochempfindlichen Messgeräten überprüft werden.
Am ehesten dürfte man die Gravitationswellen von Schwarzen Löchern messen können. Das sind sehr schwere und kompakte Himmelskörper, die etwa nach dem Tod eines Sterns übrig bleiben. Ihre Schwerkraft hält sogar Lichtstrahlen fest. Centrellas Team simulierte am Computer, wie zwei Schwarze Löcher sich erst umkreisen und schließlich zu einem größeren Loch verschmelzen. Es handle sich um die umfangreichste astrophysikalische Simulation auf einem Nasa-Computer, heißt es in einer Pressemitteilung.
Bisher endeten Simulationen spätestens beim so genannten letzten stabilen Orbit. Das ist eine Bahn, auf der sich die beiden Schwarzen Löcher bereits sehr eng umkreisen. Sie sind dann nur zehn bis hundert Kilometer voneinander entfernt. Bis zu diesem Punkt kann ihre Annäherung simuliert werden, ohne Einsteins Theorien anzuwenden. Bei noch kleineren Orbits verzerren die Schwarzen Löcher den Raum und die Zeit so stark, dass der Effekt nur noch mit der Relativitätstheorie berechnet werden kann.
Obwohl Einsteins Gleichungen vergleichsweise einfach aussehen - sie können in wenigen Zeilen aufgeschrieben werden - ist es schwierig, die dahinter stehende Mathematik so umzusetzen, dass Computer mit ihr arbeiten können. Dies haben Centrella und Kollegen nun mit einem mehre tausend Zeilen langen Programm geschafft. Damit können sie sogar die stärksten Verzerrungen an so genannten Singularitäten berechnen. Für diese Punkte lieferten die Computer bislang nur unendlich große und damit unsinnige Werte.
Was macht die US-Forscher so sicher, dass ihr Ansatz richtig ist? Wie sie berichten, haben die Simulationen in vielen Durchgängen vergleichbare Ergebnisse erbracht, obwohl die Größe der Schwarzen Löcher variiert wurde.
"Die Simulationen sind von fundamentaler Bedeutung", sagt Karsten Danzmann von der Universität Hannover. Die bisherige Schwierigkeit, die Kollision Schwarzer Löcher vollständig zu berechnen, sei sehr unbefriedigend gewesen. "Es war so, als hätten wir keine Ahnung davon, wie die Erde um die Sonne kreist."
Danzmann ist auch Direktor des internationalen Geo600-Projektes. Es ist eines der Experimente, die in den nächsten Jahren Gravitationswellen nachweisen sollen. In einem unterirdischen Komplex in der Nähe von Hannover werden mit Laserstrahlen kleinste Längenveränderungen registriert.
Da das Messgerät sehr empfindlich ist und ständig leicht vibriert, müssen die Wissenschaftler die Hinweise auf Gravitationswellen aus einem Wust an Messdaten herausfiltern. Weil sie bisher nur spekulieren konnten, welche Form und Stärke die Wellen haben, gestaltete sich die Suche schwierig. Doch mit den Ergebnissen der neuen Simulationen haben die Forscher nun einen genauen Steckbrief. Danzmann: "Jetzt können wir gezielter nach Gravitationswellen im All suchen."
Die Computersimulation der Kollision von Schwarzen Löchern: www.nasa.gov/centers/goddard/ universe/gwave.html
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Foto: Bevor zwei Schwarze Löcher (hier als Kugeln dargestellt) zusammenstoßen, umkreisen sie sich. Dabei senden sie Gravitationswellen aus.
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Foto: Nachdem die Schwarzen Löcher zu einem verschmolzen sind, ändern die ausgesandten Wellen ihre Form und werden stärker.
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Foto: Nach einer Weile beruhigt sich das Schwarze Loch wieder. Die Wellen der Kollision sind nun erstmals am Computer berechnet worden.
