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Künstlerische Darstellung eines neu entstandenen Schwarzen Lochs, das nach der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher unter Aussendung von Gravitationswellen abklingt.
Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, registriert als Signal GW250114, stellt zehn Jahre nach dem ersten Nachweis das deutlichste Gravitationswellen-Signal dar und bestätigt Hawkings Flächentheorem sowie Einsteins Relativitätstheorie mit hoher Präzision. Mit rund 300 registrierten Ereignissen im Jahr 2025 unterstreicht dieser Meilenstein den rasanten Fortschritt der Gravitationswellen-Astronomie von den Anfängen im Jahr 2015. Weitere Informationen finden Sie auf der Website des Max-Planck-Instituts.
Ein kosmisches Rekordsignal zum Jubiläum: Am 14. Januar 2025 zitterte die Erde unter der bisher deutlichsten Raum-Zeit-Welle, die jemals gemessen wurde. Das Signal (GW250114) stammt von der Kollision zweier Schwarzer Löcher und ist so klar, dass es das instrumentelle Rauschen mühelos überstrahlt. Zehn Jahre nach dem ersten Nachweis von Gravitationswellen sind unsere ‚Ohren‘ ins All so scharf geworden, dass wir Erschütterungen wahrnehmen, die winziger als ein Atomkern sind. Dies erlaubt es Forschenden nun, Einsteins Theorien so streng zu prüfen wie nie zuvor.
Ein Triumph für Stephen Hawking: 54 Jahre nach seiner theoretischen Vorhersage konnte das Flächentheorem für Schwarze Löcher durch das Rekord-Signal (GW250114) eindrucksvoll bestätigt werden. Die Kollision zweier Giganten in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung beweist schwarz auf weiß: Die Summe ihrer Ereignishorizonte wächst bei der Verschmelzung an, statt zu schrumpfen. Damit liefert dieses ‚laute‘ Signal aus der Tiefe des Alls die bislang präziseste Bestätigung für Hawkings geniale Weitsicht.
Stellen Sie sich den Ereignishorizont als einen ‚Punkt ohne Wiederkehr‘ vor – eine Grenze, die selbst Licht nicht mehr überschreiten kann. Da von dort keine Signale nach außen dringen, bleiben Schwarze Löcher für unsere Augen unsichtbar. Doch ihre Gravitationswellen verraten sie: Bei der Entdeckung (GW250114) konnten Forschende förmlich ‚zuhören‘, wie zwei Giganten zu einem neuen, größeren Loch verschmolzen. Dieser akustische Fingerabdruck bewies eine alte Regel von Stephen Hawking: Die kombinierte Oberfläche Schwarzer Löcher darf niemals schrumpfen. Tatsächlich zeigt die Messung, dass das neue Loch sogar eine etwas größere Fläche besitzt als seine beiden Vorgänger zusammen.
Die vorliegende Visualisierung zerlegt das Gravitationswellen-Ereignis GW250114 in seine spektralen Bestandteile. Dargestellt ist das Ausschwingen (Ringdown) des neu entstandenen Schwarzen Lochs, aufgeteilt in spezifische Schwingungsmoden. Im beobachteten Signal konnten Forscher sowohl die quadrupolare Grundmode („first tone“) als auch deren ersten Oberton („second tone“) eindeutig identifizieren. Die Grafik zeigt zudem einen theoretisch postulierten dritten Ton, für dessen Existenz die aktuellen Daten bereits erste physikalische Grenzwerte liefern.
n einer neuen Studie analysierte ein Forschungsteam den „Ringdown“ des Gravitationswellensignals GW250114 und identifizierte erstmals mit hoher Sicherheit zwei unterschiedliche Schwingungsmoden, die als „Töne“ des verschmelzenden Schwarzen Lochs fungieren. Die Ergebnisse bestätigen die Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zur Kerr-Lösung für rotierende Schwarze Löcher mit bisher unerreichter Präzision [1]. Weitere Details zu diesem Forschungsergebnis finden Sie auf der Website des
Am 14. September 2015 erreichte ein Signal von einem Paar schwarzer Löcher die Erde. Es enthielt Informationen darüber wie sich die beiden Objekte in einer fernen Galaxie umrundet hatten, sich immer näher kamen und schließlich miteinander verschmolzen. Die beiden Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) beobachteten zum ersten Mal Gravitationswellen von verschmelzenden schwarzen Löchern. Seitdem wurden rund 300 weitere Verschmelzungen beobachtet, auch von Neutronensternen. Mit diesen Messungen wurde eine neue Ära der Astronomie eingeläutet, die über die Beobachtung von Licht, also elektromagnetischen Wellen, hinausgeht. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und der Leibniz-Universität Hannover haben dazu in vielen Schlüsselbereichen entscheidende Beiträge geleistet und prägen auch weiterhin die Zukunft dieses Forschungsgebiets.
„Es war eine unglaubliche Reise, die uns zu diesem bemerkenswerten Meilenstein vor 10 Jahren geführt hat. Seit den Anfängen dieses Forschungsgebiets treiben unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Entwicklung neuer Technologien und Analysetechniken voran“, sagt Karsten Danzmann, Direktor Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover. „Wir arbeiten auf eine Zukunft hin, in der die Astronomie mit Gravitationswellen noch mehr Geheimnisse des Universums enthüllen wird.“
Dank dieser historischen Entdeckung können Astronominnen und Astronomen das Universum nun auf insgesamt drei verschiedene Arten beobachten: Elektromagnetische Wellen – wie sichtbares Licht, Röntgenstrahlung und Radiowellen –, hochenergetische Teilchen und Neutrinos und nun auch: Gravitationswellen, also das Erzittern der Raumzeit, ausgelöst durch beschleunigte extreme Massenkonzentrationen. Für diese Entdeckung wurden Rai Weiss, Kip Thorne und Barry Barish im Jahr 2017 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Kilonovae als Quellen von Licht und Gravitationswellen
In den letzten zehn Jahren haben Forschende des Instituts auch dazu beigetragen, Gravitationswellen-Ereignisse zu verstehen, an denen Neutronensterne beteiligt waren. Wie schwarze Löcher entstehen Neutronensterne bei Supernova-Explosionen am Lebensende eines massereichen Sterns. Sie haben weniger Masse als schwarze Löcher und strahlen, anders als diese, elektromagnetische Wellen ab. Im August 2017 beobachteten Ligo und Virgo eine Verschmelzung zweier Neutronensterne, gefolgt von Gammastrahlung über Röntgenstrahlung bis hin zu Infrarot- und Radiowellen. Die Kilonova schleuderte Gold und andere schwere Elemente ins Universum und zog die Aufmerksamkeit von Teleskopen auf der ganzen Welt und im All auf sich.
Bei diesem Ereignis der Multi-Messenger-Astronomie wurden erstmals sowohl Licht als auch Gravitationswellen von demselben kosmischen Ereignis erfasst. Heute lauscht die LVK-Kollaboration auf der Suche nach Gravitationswellensignalen ins All und informiert Forschende sofort, wenn sich solche begehrte Verschmelzungen von Neutronensternen anbahnen. So bleibt genug Zeit, Teleskope weltweit auf diese Ereignisse auszurichten.
Hintergrundinformationen
Eine Vielzahl von Entdeckungen
Weitere bemerkenswerte wissenschaftliche Entdeckungen der LVK-Kollaboration sind der erste Nachweis von Kollisionen zwischen einem Neutronenstern und einem schwarzen Loch, asymmetrische Verschmelzungen, bei denen ein schwarzes Loch deutlich massereicher ist als sein Partnerobjekt, die Entdeckung der leichtesten bekannten schwarzen Löcher, die die Vorstellung einer „Masselücke” zwischen Neutronensternen und schwarzen Löchern in Frage stellen, und die bisher massereichste Verschmelzung von schwarzen Löchern mit einer Gesamtmasse von 225 Sonnenmassen. Zum Vergleich: Der bisherige Rekordhalter für die massereichste Verschmelzung hatte eine Gesamtmasse von 140 Sonnenmassen.
Hochpräzise Wellenformmodelle
Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik haben neue Wellenformmodelle, also Berechnungsmethoden für erwartete Gravitationswellen-Signale, entwickelt. Die LVK-Kollaboration setzt diese routinemäßig ein, um echte astrophysikalische Quellen von zufälligen Schwankungen des Rauschens und terrestrischen Störungen, die in den Detektoren auftreten, zu unterscheiden.
In den letzten zehn Jahren haben die Forschenden am Institut die Genauigkeit und Effizienz ihrer Wellenformmodelle kontinuierlich verbessert. Dabei haben sie immer präzisere Modelle entwickelt, die die komplexe Dynamik schnell rotierender schwarzer Löcher berücksichtigen, wie sie beispielsweise bei der kürzlichen Entdeckung von GW231123 beobachtet wurde. Diese Modelle sind unerlässlich, um aus dem Signal genaue Informationen zu gewinnen und die Eigenschaften der an der Verschmelzung beteiligten astrophysikalischen Objekte zu verstehen.
Die Forschenden des Instituts haben außerdem neue Methoden zur Bestimmung astrophysikalischer Eigenschaften entwickelt. Diese basieren auf maschinellen Lernverfahren und neuronalen Netzen. Mithilfe dieser Methoden lassen sich schnell und genau Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Verschmelzungen schwarzer Löcher und Neutronensterne ziehen. Die neuartigen Methoden sind besonders nützlich, um große Datensätze zu analysieren und potenzielle Signale in Echtzeit zu identifizieren.
Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und an der Leibniz Universität Hannover haben maßgeblich zu den Hochleistungs-Lasersystemen beigetragen, die in Gravitationswellen-Detektoren zum Einsatz kommen. Ohne diese Systeme lassen sich die Instrumente nicht betreiben, da sie das intensive, extrem reine und stabile Laserlicht liefern, das zur Messung der winzigen von Gravitationswellen verursachten Längenänderungen benötigt wird. Die Forschenden des Instituts haben die derzeitige Hauptlaserquelle der LIGO-Instrumente entwickelt und deren Weiterentwicklungen getestet und implementiert. Auch die Verstärkerstufe der aktuellen Laserquellen in den Virgo- und KAGRA-Instrumenten basiert auf Entwicklungen und Tests, die in Zusammenarbeit zwischen den Instituten und dem Laserzentrum Hannover durchgeführt wurden.
Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und die Leibniz Universität Hannover betreiben gemeinsam den deutsch-britischen Gravitationswellen-Detektor GEO600. Dieser spielte in den letzten zehn Jahren eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Astronomie mit Gravitationswellen. Als Testumgebung für fortschrittliche Messtechnologie ermöglichte GEO600 die Entwicklung von Schlüsseltechnologien, welche die Empfindlichkeit anderer Detektoren erhöhten. GEO600 war im Jahr 2010 der erste Detektor, der gequetschtes Licht verwendete. Quetschlicht ist eine Technik, die das Quantenrauschen in Gravitationswellen-Detektoren reduziert und es ihnen somit ermöglicht, auch schwächere Signale zu beobachten. Die Forschenden haben Quetschlichtquellen für die Detektoren GEO600 und Virgo entwickelt und gebaut und so zur deutlichen Verbesserung der Quetschlicht-Technologie beigetragen. Diese technologischen Fortschritte haben die Gravitationswellen-Detektoren empfindlicher gemacht und so die Beobachtung und die Untersuchung von Gravitationswellen-Signalen verbessert.
Die Suche nach neuen Entdeckungen geht weiter
In den kommenden Jahren wollen die Wissenschaftlerinnen und Ingenieure der LVK-Kollaboration ihre Geräte weiter optimieren, um mit ihnen noch tiefer in den Weltraum lauschen zu können. Die Forschenden am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und an der Leibniz Universität Hannover werden auch zukünftig bahnbrechende Beiträge auf diesem Gebiet leisten. „Mit den Detektoren der dritten Generation erwarten wir, die frühesten Verschmelzungen von schwarzen Löchern im Universum zu hören, Gravitationswellen-Ereignisse noch präziser zu messen und ein tieferes Verständnis der Geheimnisse unseres Universums zu erlangen“, erklärt Frank Ohme, der eine unabhängige Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik leitet. Die Forschenden der Institute werden die Detektortechnologie, die Entwicklung von Wellenformmodellen und die Analysemethoden weiter vorantreiben und so neue Entdeckungen ermöglichen.
Die Ligo-Virgo-Kagra-Kollaboration
LIGO wird von der US-amerikanischen National Science Foundation finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die das Projekt gemeinsam konzipiert und aufgebaut haben. Die finanzielle Unterstützung für das Advanced LIGO-Projekt wurde von der NSF geleitet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council) bedeutende Aufgaben und Beiträge zu dem Projekt leisteten. Mehr als 1.600 Forschende aus aller Welt beteiligen sich an den Bemühungen im Rahmen der LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO Collaboration gehört.
Die Virgo-Kollaboration besteht derzeit aus etwa 1.000 Mitgliedern aus 175 Institutionen in 20 verschiedenen (hauptsächlich europäischen) Ländern. Das European Gravitational Observatory (EGO) betreibt den Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa in Italien und wird finanziert vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem National Institute of Nuclear Physics (INFN) in Italien, dem National Institute of Subatomic Physics (Nikhef) in den Niederlanden, der Research Foundation – Flanders (FWO) und dem Belgian Fund for Scientific Research (F.R.S.–FNRS).
KAGRA ist ein Laserinterferometer mit einer Armlänge von 3 Kilometern in Kamioka, Gifu, Japan. Das Wirtsinstitut ist das Institut für Kosmische Strahlungsforschung (ICRR) der Universität Tokio, und das Projekt wird gemeinsam vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans (NAOJ) und der Organisation für Hochenergie-Beschleunigerforschung (KEK) durchgeführt. Die KAGRA-Kooperation besteht aus mehr als 400 Mitgliedern aus 128 Instituten in 17 Ländern/Regionen.
„Mit der Entdeckung der Gravitationswellen vor zehn Jahren wurde das Universum für uns auf eine völlig neue Weise erfahrbar. Wie Karsten Danzmann betont, ist dieser Meilenstein das Ergebnis jahrelanger Pionierarbeit in der Entwicklung von Analysetechniken. Heute blicken wir mit drei ‚Sinnen‘ ins All.
- Sehen: Über Licht, Röntgen- und Radiowellen.
- Messen: Über hochenergetische Teilchen und Neutrinos.
- Fühlen: Über Gravitationswellen, die Erschütterungen der Raumzeit selbst.
Diese revolutionäre Erweiterung unseres Horizonts wurde 2017 folgerichtig mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.“
Vor einem Jahrzehnt öffnete sich ein völlig neues Fenster zum Kosmos: Zum ersten Mal wurden die unsichtbaren Erschütterungen der Raumzeit messbar, die zwei kollidierende Schwarze Löcher Milliarden Lichtjahre entfernt ausgelöst hatten. Was 2015 als Sensation begann, ist heute fast schon Routine – mit mittlerweile rund 300 nachgewiesenen Ereignissen. Diese Entwicklung hat die Astronomie revolutioniert, da wir das Universum nun nicht mehr nur ‚sehen‘, sondern seine Schwingungen direkt ‚fühlen‘ können. Deutsche Spitzenforschung aus Hannover und vom Max-Planck-Institut lieferte hierfür die entscheidenden technologischen und theoretischen Schlüssel.
Vielen Dank an meine Leser und Freunde, wenn fragen auftauschen sollten werde ich diese so schnell wie möglich beantworten.
Astrolux
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