Sich umkreisende schwarze Löcher könnten messbar sein, wenn sie durch ihre geballte Schwerkraft Sternenlicht aus dem Hintergrund zur Erde hin bündeln
- Neue Methode: Forscher der Universität Oxford und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik Potsdam haben eine neue Methode vorgeschlagen, um Paare extrem massereicher schwarzer Löcher mithilfe von Gravitationslinsen zu entdecken.
- Gravitationslinsen: Schwarze Löcher wirken wie natürliche Teleskope. Sie lenken Licht von Sternen, die sich in derselben Galaxie hinter den schwarzen Löchern befinden, durch ihre Schwerkraft ab. Das resultiert in verzerrten Leuchtbögen, heller als die Sterne selbst.
- Beobachtbare Signale: Während die schwarzen Löcher einander umrunden, verändern sie regelmäßig das Schwerkraft-Feld um sie herum und erzeugen dabei wiederholt Blitze von abgelenktem Sternenlicht.
- Suche in Himmelsdurchmusterungen: Derzeitige und kommende Himmelsdurchmusterungen könnten diese Blitze in der Zukunft nachweisen. Das könnte Informationen über die Eigenschaften der schwarzen Löcher liefern und völlig neue Untersuchungen ermöglichen.
Paare extrem massereicher schwarzer Löcher, die einander eng umrunden, entstehen, wenn Galaxien verschmelzen. Allerdings haben Astronominnen und Astronomen solche Paare bislang nur beobachtet, wenn sich die schwarze Löcher in größerem Abstand voneinander befinden - zumindest in wenigen Fällen. In einem Artikel schlagen Forscher ein neues Verfahren vor, um die bislang verborgenen engen Paare aufzuspüren. Demnach müssen Astronominnen und Astronomen nach wiederholten Lichtblitzen einzelner Sterne suchen, die sich hinter den schwarzen Löchern befinden und deren Licht durch die Gravitationslinsenwirkung des Schwarz-Loch-Paares vorübergehend verzerrt und verstärkt werden.
Extrem massereiche schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien. Wenn zwei Galaxien zusammenstoßen und verschmelzen, bilden ihre zentralen schwarzen Löcher schließlich ein Paar extrem massereicher schwarzer Löcher, das durch die gegenseitige Schwerkraft aneinander gebunden ist. Diese Systeme spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien und zählen zu den stärksten Quellen von Gravitationswellen im Universum. Denn die schwarzen Löcher sitzen jeweils wie Tröge im Netz aus Raum und Zeit. Umkreisen sich diese, verändern sie stetig die Raumzeit, was dazu führt, dass Gravitationswellen entstehen. Bisher galt die Annahme, dass sich solche besonders massereichen Binärsysteme nur mit zukünftigen Gravitationswellen-Observatorien im All, wie Lisa, beobachten lassen. Die Forscher zeigen nun, dass möglicherweise bereits derzeitige und zukünftige Himmelsdurchmusterungen die Paare im elektromagnetischen Spektrum nachweisen können.
Gravitationslinsen
-Extrem massereiche schwarze Löcher wirken wie natürliche Teleskope-, sagt Miguel Zumalacárregui vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. -Weil sie so schwer und kompakt sind lenken sie vorbeilaufendes Licht stark ab. Sie können Sternenlicht aus der Galaxie, in der sie sich befinden, zu außergewöhnlich hellen Bildern fokussieren. Dieser Effekt ist als Gravitationslinse bekannt.- Bei einem einzelnen extrem massereichen schwarzen Loch tritt ein extrem starker Linseneffekt nur auf, wenn ein Stern fast genau auf der Sichtlinie hinter dem schwarzen Loch liegt. Zwei extrem massereiche schwarze Löcher wirken wie zwei Linsen. Dadurch entsteht eine rautenförmige Struktur, die als Kaustik bezeichnet wird. Sterne auf der Kaustik können eine dramatische Verzerrung und Verstärkung ihres Lichts erfahren.
-Die Wahrscheinlichkeit, dass Sternenlicht enorm verstärkt wird, ist bei einem Binärsystem sehr viel höher als bei einem einzelnen schwarzen Loch-, erklärt Bence Kocsis vom Fachbereich Physik der Universität Oxford und Koautor der Studie. -Wenn sich das Binärsystem bewegt, dreht sich die Kaustik und verändert ihre Form. Dabei überstreicht sie ein großes Volumen mit Sternen hinter den schwarzen Löchern. Befindet sich ein heller Stern in diesem Bereich, kann er jedes Mal, wenn die Kaustik über ihn läuft, einen außergewöhnlich hellen Blitz erzeugen-, sagt Hanxi Wang, ein Doktorand in der Gruppe von Kocsis, der -Dies führt zu einem wiederholten Aufblitzen des Sternenlichts - der klare und unverwechselbare Fingerabdruck eines Paares extrem massereicher schwarzer Löcher.-
Wertvolle Informationen aus wiederkehrenden Lichtblitzen
Die Forscher zeigten, dass der Zeitpunkt und die Helligkeit dieses Aufblitzens wertvolle Informationen über das Binärsystem schwarzer Löcher enthalten. Während sich die schwarzen Löcher immer enger umlaufen, verändert die Abstrahlung von Gravitationswellen die Struktur der Kaustik und moduliert sowohl die Frequenz als auch die Helligkeit des Aufblitzens auf charakteristische Art und Weise. Denn während sie einander unter dem Einfluss der Schwerkraft umrunden, verlieren sie mit der Abstrahlung von Gravitationswellen langsam Energie. Dadurch verringert sich auch der Abstand zwischen den beiden schwarzen Löchern. Astronominnen und Astronomen könnten durch die Messung dieser Lichtblitze wichtige Eigenschaften des Binärsystems ableiten, darunter nicht nur die Massen der schwarzen Löcher, sondern auch deren Entwicklung auf deren Umlaufbahnen. Ein Hintergrundstern könnte, je nach Masse der Schwerkraftfallen im Vordergrund, mehrmals im Jahr aufblitzen, was auf die Umlaufzeit der schwarzen Löcher entspricht. Erwischt man ein solches System tatsächlich kurz vor der Verschmelzung, so könnte über Jahre und Jahrzehnte hinweg die beschriebene Frequenzänderung des Schwarz-Loch-Tanzes beobachtbar sein, bis zur schlussendlichen Verschmelzung.
Die Forscher sind optimistisch, dass Astronominnen und Astronomen solche sich wiederholenden Lichtblitze mit Himmelsdurchmusterungen - beispielsweise mit dem Vera C. Rubin Observatory und dem Nancy Grace Roman Space Telescope - innerhalb der nächsten Jahre beobachten können. -Die Aussicht, einander umkreisende Paare extrem massereicher schwarzer Löcher noch Jahre vor der Inbetriebnahme zukünftiger Gravitationswellen-Detektoren im Weltraum identifizieren zu können, ist äußerst spannend-, fasst Kocsis zusammen. -Dies öffnet die Tür zu echten Multi-Messenger-Studien von Schwarzen Löchern und ermöglicht es uns, die Gravitation und die Physik Schwarzer Löcher auf völlig neue Art und Weise zu untersuchen.- Als Multi-Messenger Astronomie bezeichnet man die koordinierte Beobachtung ein und des selben astronomischen Ereignisses mit unterschiedlichen Instrumenten, die nicht nur verschiedene Lichtfrequenzen messen, sondern auch unterschiedliche Phänomene, wie hier etwa Grabitationswellen.
