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Wenn Galaxien kollidieren, nähern sich ihre Schwarzen Löcher an und bilden innerhalb von wenigen hunderttausend Jahren ein so genanntes Binärsystem. Die Schwarzen Löcher im Binärsystem umkreisen einander in der Folge in einem Abstand von wenigen Lichtjahren. Dies, obwohl sie wenige Milliarden Jahre zuvor durch mehrere hunderttausend Lichtjahre voneinander getrennt waren.
Sie verringern dann langsam ihren Abstand, bis dieser etwa der Grösse unseres Sonnensystems entspricht. Diese Entfernung ist nahe genug, um starke Gravitationswellen zu erzeugen und den Verschmelzungsprozess zu beschleunigen. Die endgültige Vereinigung der Schwarzen Löcher findet etwa eine Milliarde Jahre nach der Bildung des Binärsystems statt.
Das Wissen um diese Vorgänge verdanken Forscher um Prof. Lucio Mayer ihren Simulationen mit leistungsfähigen Supercomputern an der Universität Zürich, der ETH Zürich und an Rechenzentren der USA. Ihre kürzlich in «Science» publizierte Arbeit kann damit erstmals zeigen, dass das erste Hindernis beim Verschmelzen von Schwarzen Löchern, nämlich die schnelle Bildung des Binärsystems, nicht existiert, wenn die kollidierenden Galaxien Gas enthalten.
Die heutigen massiven Galaxien sind zwar grösstenteils gasfrei, aber wir wissen, dass dies vor wenigen Milliarden Jahren anders war. Wenn sich Galaxien vereinigen, strebt ihr gesamtes Gas in ihr jeweiliges Zentrum. Kollisionen zwischen gashaltigen Galaxien waren demnach eher die Regel als die Ausnahme in der Geschichte unseres Universums.
Dass Galaxien tatsächlich kollidieren und verschmelzen, belegen eindrucksvolle Bilder von Teleskopen. Falls zwei Galaxien mit supermassiven Schwarzen Löchern kollidieren, war es demnach denkbar, dass auch ihre Schwarzen Löcher verschmelzen und einen gewaltigen Ausbruch von Gravitationswellen erzeugen.
Bisher war es allerdings unmöglich zu zeigen, dass dies auch wirklich geschieht. Denn dafür müssen gleichzeitig Prozesse auf verschiedenen Ebenen beschrieben werden: Einerseits auf Skalen von tausenden bis zehntausenden von Lichtjahren (der Grösse einer Galaxie) und kleinen Skalen von einem Lichtjahr und weniger (der Umgebung der Schwarzen Löcher). Den Forschern um Prof. Mayer gelang es nun erstmals, Prozesse auf allen Stufen dieser Skala gleichzeitig zu simulieren.
Ihre Arbeit ist auch die theoretische Basis für den direkten Nachweis von Gravitationswellen. Dieser Nachweis soll in den nächsten Jahren mit der «Laser Interferometer Space Antenna» (LISA) der NASA und der europäischen Weltraumorganisation ESA möglich werden.
LISA besteht aus drei Satelliten, deren Sensoren in der Lage sind, geringste Verschiebungen von Testmassen zu entdecken, die durch Gravitationswellen hervorgerufenen werden. Um den Abstand der Testmassen mit grösstmöglicher Präzision zu messen, werden Laserstrahlen verwendet.
Der geplante direkte Nachweis, dass Schwarze Löcher bei ihrer Vereinigung Gravitationswellen erzeugen, wird einen Beweis für eine der fundamentalsten Theorien der Physik darstellen. Gleichzeitig soll er auch das Standardmodell der Galaxienentwicklung bestätigen.