Neue Methode zeigt, wie Gravitationswellen entstehen - und wie Schwarze Löcher aus Galaxien herausgeschleudert werden

Zusammenstoß zweier Schwarzer Löche

Pasadena (USA) - Zusammenstöße von Schwarzen Löchern gehören zu den gewaltigsten Katastrophen, die es im Kosmos gibt. Dabei kommt es zu komplizierten Verzerrungen von Raum und Zeit, die bislang für die Wissenschaftler nicht in allen Einzelheiten nachvollziehbar waren. Jetzt hat ein Team von Forschern aus den USA und Südafrika ein Verfahren entwickelt, das die Verzerrungen geschickt visualisiert und so die resultierenden Phänomene wie etwa Gravitationswellen besser verständlich macht. Die Physiker berichten im Fachblatt "Physical Review Letters" über ihre Methode.

"Wir haben Wege gefunden, die verzerrte Raumzeit in einer Weise zu visualisieren wie niemals zuvor", sagt Kip Thorne vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, einer der beteiligten Forscher. Aus einer Kombination von theoretischen Analysen und Computermodellen entwickelten Thorne und seine Kollegen zwei neue Konzepte, um die verzerrte Raumzeit-Struktur zu beschreiben: Vortexlinien und Tendexlinien.

Entlang von Tendexlinien wirken so genannte Gezeitenkräfte, die Körper strecken - und beispielsweise im Erde-Mond-System für die Gezeiten der Ozeane sorgen. Entlang der Vortexlinien dagegen verdreht sich die Raumzeit "wie ein nasses Handtuch, das ausgewrungen wird", so die Physiker. Laufen viele Tendexlinien zusammen, entsteht ein Tendex, ein Ort extremer Gezeitenkräfte, die jeden Körper zerreißen. Und dort, wo viele Vortexlinien zusammenlaufen, bildet sich entsprechend ein Vortex, ein starker Wirbel.

Mit diesen Konzepten konnten Thorne und seine Kollegen zeigen, dass bei einem Frontalzusammenstoß ringförmige Vortices und Tendices entstehen und nach außen abgestoßen werden. Laufen die Schwarzen Löcher dagegen zunächst auf einer Spiralbahn aufeinander zu und kollidieren dann, so bilden die Vortices und Tendices eine sprinklerartige Struktur, die spiralförmig nach außen läuft. Diese nach außen laufenden Raumzeitverzerrungen sind Gravitationswellen. "Mit unseren Tendices und Vortices können wir die Form der Gravitationswellen besser vorhersagen, nach denen wir auf der Erde beispielsweise mit Detektoranlagen wie LIGO suchen", sagt Yanbei Chen vom Caltech, der die theoretische Arbeit der Gruppe leitet.

Die Untersuchungen von Thorne und seinem Team zeigen auch erstmalig, wie ein Schwarzes Loch nach einem solchen Zusammenstoß aus einer Galaxie herausgeschleudert werden kann. Unter bestimmten Umständen können sich die Vortices und Tendices auf der einen Seite des Schwarzen Lochs addieren, während sie sich auf der entgegengesetzten Seite auslöschen. Die daraus resultierende asymmetrische Abstrahlung der Gravitationswellen übt dann einen enormen Rückstoß auf das Schwarze Loch aus und katapultiert es aus der Galaxie heraus.