Schwarze Löcher gehören zu den faszinierendsten Objekten im Universum, aber sie bleiben schwer fassbar, weil sie so unglaublich dicht sind und ihre Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht ihrem Zugriff entgehen kann. Um schwarze Löcher aufzudecken, die sich im Kosmos verstecken, haben sich Forscher einem aufstrebenden Forschungsgebiet zugewandt, das als Gravitationswellenastronomie bekannt ist.
Gravitationswellen sind Verzerrungen oder Wellen in der Struktur von Raum und Zeit, die durch die Bewegung massereicher Objekte erzeugt werden. Im Jahr 2015 haben Astronomen die Bewegung von Gravitationswellen erstmals mit den Teleskopen des erdbasierten Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) in Louisiana und Washington erfasst. In diesem Fall wurden die Wellen durch eine heftige Kollision zweier massiver, gemeinsam umlaufender Schwarzer Löcher erzeugt, die als Schwarzloch-Binärdatei bekannt sind.
Mithilfe von LIGO und anderen Beobachtungstechnologien soll in einer neuen Studie ein vollständigeres Bild von Schwarzen Löchern erstellt werden - insbesondere von solchen, die zu der dunkeleren Kategorie gehören, die als Zwischenmassen-Schwarze Löcher (IMBHs) bekannt ist.
"Als ich zu LIGO kam, wurde mir klar, dass meine jahrelange allgemeine relativistische Simulation von Schwarzen Löchern dazu beitragen kann, eine neue astrophysikalische Jagd auf IMBHs zu entwickeln", sagte Karan Jani, Astrophysiker an der Vanderbilt University und Hauptautor der Studie, gegenüber Space. com
IMBHs liegen irgendwo zwischen supermassiv - mindestens eine Million Mal größer als unsere Sonne - und schwarzen Löchern mit Sternmasse - kleiner, aber immer noch fünf bis 50 Mal größer als die Masse unserer Sonne.
"IMBHs sind im ersten Jahrzehnt der Gravitationswellenastronomie etwas ganz Besonderes. Unter jeder bekannten astrophysikalischen Quelle, die Gravitationswellen aussendet, berichten wir, dass sowohl LIGO als auch LISA (Laser Interferometer Space Antenna) am empfindlichsten für Fusionen von IMBHs sind", sagte Jani. "Mit diesen beiden Experimenten können wir praktisch alle IMBH-Binärdateien im Universum untersuchen."
Allerdings konnten Astronomen diese schwer fassbaren, mittelgroßen Schwarzen Löcher noch nicht direkt erkennen, fügte Jani hinzu. Sein Ansatz ist es daher, die verschiedenen Frequenzen der von Schwarzen Löchern emittierten Gravitationswellen zu untersuchen, um ein besseres Verständnis der IMBH-Aktivität zu erhalten.
"Wie ein Sinfonieorchester Schall über eine Reihe von Frequenzen aussendet, treten die von Schwarzen Löchern emittierten Gravitationswellen bei unterschiedlichen Frequenzen und Zeiten auf", sagte Jani in einer Erklärung der Vanderbilt University. "Einige dieser Frequenzen haben eine extrem hohe Bandbreite, während andere eine niedrige Bandbreite haben. Unser Ziel in der nächsten Ära der Gravitationswellenastronomie ist es, Multiband-Beobachtungen dieser beiden Frequenzen zu erfassen, um 'das gesamte Lied zu hören' es war, wenn es um schwarze Löcher geht. "
Es wird angenommen, dass IMBHs die Samen sind, aus denen supermassereiche Schwarze Löcher wachsen. Zum Beispiel können Schwarze Löcher wachsen, indem andere Schwarze Löcher verschlungen werden. In der Region der unfehlbaren Materie, die ein Schwarzes Loch umgibt, das auch als Akkretionsscheibe bekannt ist, ziehen starke Gravitationskräfte in der Nähe befindliches Gas, Sterne, Staub und sogar andere Schwarze Löcher an. Jedes Material, das zu nahe kommt, kann über den Ereignishorizont hinausgezogen werden - der Punkt, ab dem es der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs nicht mehr entkommen kann.
"Sobald ein IMBH ein weiteres Schwarzes Loch in seiner Nähe gefangen hat, wird es eine Flut von Gravitationsstrahlung geben", sagte Jani gegenüber Space.com. "LIGO kann diese Strahlung einfangen, wenn diese Schwarzen Löcher kollidieren."
Die vorgeschlagene LISA-Mission - gemeinsam von der Europäischen Weltraumorganisation und der NASA geleitet - wird in der Lage sein, niederfrequente Gravitationswellen zu erfassen und genau zu messen, was für Detektoren auf der Erde aufgrund der seismischen Bewegung unseres Planeten oder sogar der Vibrationen eines Vorbeifahrens eine Herausforderung darstellt Auto. LISA soll 2034 auf den Markt kommen und ist der erste dedizierte weltraumgestützte Gravitationswellendetektor.
"Mit der LISA-Mission stellt unsere Studie fest, dass die Strahlung von IMBHs mindestens einige Jahre vor ihrer schicksalhaften Kollision aufgezeichnet werden kann", sagte Jani. "Diese Strahlung ist buchstäblich die Raumzeit, die direkt außerhalb des Ereignishorizonts der IMBHs deformiert wird. Im Gegensatz zu einem Radio- oder Röntgensignal verliert die Gravitationsstrahlung keine Informationen, da sie Milliarden von Lichtjahren wandert, bevor sie uns erreicht."
Durch die Kombination von Beobachtungen von LIGO-Detektoren, die hochfrequente Gravitationswellen erfassen, und zukünftigen Detektoren wie der LISA-Mission, die niederfrequente Gravitationswellen messen wird, hoffen die Forscher, Lücken im aktuellen Verständnis von Schwarzen Löchern zu schließen.
Ihre Studie wurde am 18. November in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
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