Verschmelzungen von Schwarzen Löchern sind wunderschön – und gehören zu den heftigsten Ereignissen im Kosmos. Hier erfahren Sie, wie der Prozess abläuft.
Die Geschichte beginnt damit, dass zwei Schwarze Löcher in langen, trägen Kreisen weit voneinander entfernt kreisen. Sie könnten als Doppelsternpaar entstanden sein oder sich einfach zufällig in den Tiefen des interstellaren Raums begegnet sein. Um zu verschmelzen, müssen sie sich in jedem Fall annähern, was bedeutet, dass sie viel Orbitalenergie verlieren.
Der erste Schritt, dem System Energie zu stehlen, besteht in der Interaktion der Schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung. Sie sind nicht allein – es schweben immer dünne Gas- und Staubfetzen herum, und manchmal gibt es sogar größere Objekte wie Planeten oder Sterne. Alle diese Objekte interagieren durch die Schwerkraft mit dem Schwarzen Loch. Manchmal fallen sie hinein und werden nie wieder gesehen. In anderen Fällen verfehlen sie ihr Ziel nur knapp, wodurch ihre Geschwindigkeit etwas erhöht wird und dem Schwarzen Loch etwas von der Orbitalenergie entzogen wird.
Sobald die Schwarzen Löcher nahe genug kommen, beginnt ein anderer Prozess. Die Schwarzen Löcher bewegen die Raumzeit, während sie einander umkreisen, und diese Bewegung setzt Gravitationswellen frei, die von dem Paar ausgehen wie Wellen in einem Teich. Die Gravitationswellen sind jedoch unglaublich schwach und beginnen erst dann ernsthaft Energie zu verbrauchen, wenn die Schwarzen Löcher sehr, sehr nahe beieinander sind.
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Dies hat Astrophysiker zu einem Rätsel geführt, das als „letztes Parsec-Problem“ bezeichnet wird. Simulationen haben gezeigt, dass Gravitationswechselwirkungen mit der Umgebung dazu führen können, dass Schwarze Löcher in angemessener Zeit bis auf etwa einen Parsec (ungefähr 3,26 Lichtjahre) voneinander entfernt sind. Aber innerhalb dieser Entfernung gibt es einfach nicht genug Material, um weiterhin Energie zu entziehen. Andererseits sind die Gravitationswellen bei gleicher Entfernung viel zu schwach und würden ein Vielfaches des Alters des Universums benötigen, um ihre Aufgabe zu erfüllen.
Das letzte Parsec-Problem ist derzeit ein ungelöstes Rätsel in der Astrophysik. Aber welcher Mechanismus auch immer abläuft, irgendwann kommen Schwarze Löcher so nah heran, dass die Gravitationswellen dem System wirklich viel Energie entziehen können. Zu diesem Zeitpunkt haben die Schwarzen Löcher nur noch wenige Sekunden Zeit, bevor sie verschmelzen.
Bei diesen geringen Abständen beginnen die Schwarzen Löcher, sich gegenseitig zu verformen. Sie haben nicht wirklich Oberflächen; Die Ereignishorizonte sind unsichtbare Grenzen, die den Bereich markieren, in dem es kein Entrinnen gibt. Die Form des Ereignishorizonts hängt jedoch nicht nur vom Schwarzen Loch selbst ab, sondern auch von der Geometrie der Raumzeit um es herum. Wenn also die Schwarzen Löcher ihren tödlichen Tanz beginnen, verlängern sich die Ereignishorizonte und dehnen sich aufeinander zu.
Wir verstehen, was als nächstes passiert, nur durch komplexe Computersimulationen, die die Entwicklung der Ereignishorizonte überwachen und verfolgen. In den Millisekunden vor dem Einschlag sendet jedes Schwarze Loch eine dünne Ranke – einen winzigen Tunnel seines Ereignishorizonts – in Richtung seines Begleiters. Diese Ranken treffen aufeinander und verschmelzen und bilden eine Brücke zwischen den beiden Schwarzen Löchern, als wären sie durch eine Nabelschnur verbunden.
Sehr schnell weitet sich die Brücke und die Ereignishorizonte verkleben wie zwei kollidierende Seifenblasen. Innerhalb eines Augenblicks verschmelzen die Schwarzen Löcher zu einem.
Was im Inneren passiert, bleibt unklar. Das Zentrum eines Schwarzen Lochs wird als Singularität bezeichnet, ein Punkt unendlicher Dichte. Hier bricht unser derzeitiges Verständnis der Physik zusammen. Simulationen zeigen, dass die Singularitäten sich schnell finden, kurz umkreisen und dann verschmelzen – aber was tatsächlich passiert, ist unklar.
Seltsamerweise hat das neu verschmolzene Schwarze Loch eine Masse, die geringer ist als die Gesamtmasse des ursprünglichen Paares. Beispielsweise entdeckte die LIGO Scientific Collaboration im Jahr 2016 das erste Gravitationswellenereignis bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und entdeckte, dass ein Schwarzes Loch mit 36 Sonnenmassen mit einem Schwarzen Loch mit 30 Sonnenmassen verschmolzen war und ein neues Loch mit einem Gewicht von nur 63 entstanden war Sonnenmassen.
Was ist mit den zusätzlichen drei Sonnenmassen passiert? Diese Masse wurde in Form von Gravitationswellen in Energie umgewandelt. Irgendjemand musste für den gesamten Energieverlust aufkommen, und dieser entstand durch die Umwandlung der Masse des Schwarzen Lochs selbst. Bei jeder Verschmelzung Schwarzer Löcher werden etwa 5 % in Gravitationswellen umgewandelt.
Perspektivisch ist das so, als würde man drei ganze Sonnen in reine Energie umwandeln. Wenn Schwarze Löcher kollidieren, setzen sie mehr Energie frei als jeder Stern im Universum – und das alles geschieht in völliger Stille und Dunkelheit.
