Entdeckung eröffnet neue Ära in der Astronomie

(Dan Tri) – Vor zehn Jahren hörten Wissenschaftler zum ersten Mal den Klang des Universums. Diese Entdeckung bestätigte eine wichtige Vorhersage Einsteins und leitete eine neue Ära der Astronomie ein.

Links: Physiker Albert Einstein, rechts: Herr Carl Knox – Spezialist für kreative Technologie und wissenschaftliche Visualisierung, Swinburne University of Technology, Australien.

Dies war die erste Entdeckung von Gravitationswellen. Sie bestätigte eine wichtige Vorhersage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Nun bestätigt eine neue Entdeckung von Gravitationswellen eine Theorie von Stephen Hawking – einem weiteren „Giganten“ der Astronomie.

Was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen sind „Kräuselungen“ im Raum-Zeit-Gefüge, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie entstehen durch massereiche Objekte, die extrem schnell beschleunigt werden, wie zum Beispiel kollidierende Schwarze Löcher oder die Verschmelzung massereicher Sternreste, sogenannter Neutronensterne.

Diese sich durch das Universum ausbreitenden Wellen wurden am 14. September 2015 erstmals direkt von zwei Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA beobachtet.

Dieses erste Signal mit der Bezeichnung GW150914 entstand durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher, die jeweils mehr als 30-mal so groß wie die Masse der Sonne und mehr als eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt waren.

Dies war der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen, wie sie 100 Jahre zuvor in Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt worden waren. Für diese Entdeckung erhielten die drei Wissenschaftler Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne 2017 den Nobelpreis für Physik.

Eine Simulation zeigt Gravitationswellen, die von zwei einander umkreisenden Schwarzen Löchern erzeugt werden ( Video : MPI).

Hunderte von Signalen in weniger als einem Jahrzehnt

Seit 2015 wurden von LIGO sowie den italienischen Virgo- und japanischen KAGRA-Detektoren mehr als 300 Gravitationswellen beobachtet.

Erst vor wenigen Wochen gab die internationale LIGO/Virgo/KAGRA-Kollaboration die neuesten Ergebnisse ihrer vierten Beobachtung bekannt, bei der sich die Zahl der bekannten Gravitationswellen mehr als verdoppelte.

Zehn Jahre nach der ersten Entdeckung hat eine internationale Zusammenarbeit, darunter australische Wissenschaftler des Centre for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) des Australian Research Council, kürzlich ein neues Gravitationswellensignal mit dem Namen GW250114 angekündigt.

Dieses Signal ist eine nahezu perfekte Kopie des ersten Gravitationswellensignals mit der Kennung GW150914.

Beobachtete Gravitationswelle GW250114 (LVK 2025). Die Beobachtungsdaten sind hellgrau dargestellt. Die glatte blaue Kurve stellt das am besten passende theoretische Wellenformmodell dar, das eine hervorragende Übereinstimmung mit dem beobachteten Signal zeigt.

Die Kollision zweier Schwarzer Löcher, die GW250114 hervorbrachte, weist sehr ähnliche physikalische Eigenschaften wie GW150914 auf. Dank erheblicher Verbesserungen an Gravitationswellendetektoren im letzten Jahrzehnt war das neue Signal jedoch deutlich deutlicher zu sehen (fast viermal stärker als bei GW150914).

Interessant ist, dass wir damit die Ideen eines anderen bahnbrechenden Physikers testen können: Stephen Hawking.

Auch Hawking hatte recht.

Vor mehr als 50 Jahren formulierten die Physiker Stephen Hawking und Jacob Bekenstein eine Reihe von Gesetzen zur Beschreibung schwarzer Löcher.

Hawkings zweites Gesetz der Schwarzlochmechanik, auch bekannt als Hawkings Flächensatz, besagt, dass die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs immer zunehmen muss. Mit anderen Worten: Schwarze Löcher können nicht kollabieren.

Inzwischen zeigte Bekenstein, dass die Fläche eines Schwarzen Lochs direkt mit seiner Entropie (oder Unordnung) zusammenhängt. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie immer zunehmen muss: Das Universum wird immer ungeordneter. Da die Entropie eines Schwarzen Lochs mit der Zeit ebenfalls zunehmen muss, bedeutet dies, dass auch seine Fläche zunehmen muss.

Wie lassen sich diese Theorien überprüfen? Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern sind dafür das perfekte Werkzeug. Die Präzision der neuen Messung ermöglicht es Wissenschaftlern, den bislang präzisesten Test von Hawkings Flächensatz durchzuführen.

Frühere Experimente mit der ersten Entdeckung, GW15091, legten nahe, dass das Signal mit Hawkings Gesetz übereinstimmte, konnten dies jedoch nicht mit Sicherheit bestätigen.

Schwarze Löcher sind überraschend einfache Objekte. Die Fläche des Horizonts eines Schwarzen Lochs hängt von seiner Masse und Rotation ab, den einzigen Parametern, die zur Beschreibung eines astronomischen Schwarzen Lochs erforderlich sind. Masse und Rotation bestimmen wiederum die Form der Gravitationswellen.

Durch die separate Messung der Massen und Drehungen des sich nähernden Schwarzen-Loch-Paares und deren Vergleich mit der Masse und Drehung des letzten Schwarzen Lochs, das nach der Kollision übrig blieb, konnten die Wissenschaftler die Fläche der beiden einzelnen kollidierenden Schwarzen Löcher mit der Fläche des letzten Schwarzen Lochs vergleichen.

Die Daten zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage, dass die Fläche zunehmen sollte, und stützen damit Hawkings Gesetz nachdrücklich.

Zukünftige Beobachtungen von Gravitationswellen werden es uns ermöglichen, exotischere wissenschaftliche Theorien zu testen und vielleicht sogar die Natur der fehlenden Komponenten des Universums, der dunklen Materie und der dunklen Energie, zu erforschen.

Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/phat-hien-mo-ra-ky-nguyen-moi-trong-thien-van-hoc-20250930235223429.htm