Erste Gravitationswellen bilden sich nach 10 Millionen Jahren

Diese Simulation zeigen das Verschmelzen von zwei Galaxien über eine Zeitdauer von etwa 15 Millionen Jahren. Die roten und blauen Punkte bezeichnen die beiden schwarzen Löcher (Bild: Astrophysical Journal).

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie hatte Albert Einstein vor hundert Jahren die Gravitationswellen vorhergesagt, dieses Jahr wurden sie erstmals direkt nachgewiesen: Das amerikanische Gravitationswellen-Observatorium LIGO zeichnete von der Erde aus solche Krümmungen im Weltall auf, die durch das Verschmelzen von zwei massereichen schwarzen Löchern entstanden waren. Und die Erforschung der Gravitationswellen – und damit auch des Ursprungs des Universums – geht weiter: Ab 2034 sollen unter Leitung der Europäischen Weltraumorganisation ESA drei Satelliten ins All geschossen werden, um vom Weltall aus mit der Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) Gravitationswellen in noch tieferen Frequenzbereichen messen zu können.

Bislang konnte jedoch nicht schlüssig vorausgesagt werden, zu welchem Zeitpunkt beim Verschmelzen von Galaxien Graviationswellen ausgelöst werden und sich über den gesamten Weltraum verbreiten. Zum ersten Mal hat dies nun ein internationales Team von Astrophysikern der Universität Zürich, dem Institute of Space
Technology Islamabad, der Universität Heidelberg und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften anhand einer umfangreichen Simulation berechnet.

Viel schneller als bisher angenommen

Jede Galaxie besitzt in ihrem Zentrum ein supermassives schwarzes Loch, das eine Masse von Millionen oder gar Milliarden Sonnen aufweisen kann. In einer realistischen Nachbildung des Universums wurde das Verschmelzen zweier, etwa 3 Milliarden Jahre junger Galaxien simuliert, die relativ eng beieinander lagen. Mithilfe von Supercomputern berechneten die Forschenden die Zeit, die die zwei zentralen schwarzen Löcher mit etwa 100 Millionen Sonnenmassen brauchen, um nach der Kollision der Galaxien starke Gravitationswellen auszusenden.

«Das Ergebnis ist überraschend: Das Verschmelzen der beiden schwarzen Löcher löste bereits nach etwa 10 Millionen Jahren die ersten Gravitationswellen aus – etwa 100 mal schneller als bisher angenommen», erklärt Lucio Mayer, vom Institut für Computerwissenschaft der Universität Zürich.

Supercomputer rechnete ein Jahr lang

Die über ein Jahr andauernden Computersimulationen wurden in China, Zürich und Heidelberg durchgeführt. Das Projekt erforderte einen innovativen Berechnungsansatz mit verschiedenen numerischen Codes auf unterschiedlichen Supercomputern. Jedem Supercomputer oblag dabei die Berechnung einer bestimmten Phase der orbitalen Annäherung der beiden massereichen schwarzen Löcher und ihrer Muttergalaxien.

Gegenüber bisherigen Modellen wurde in der vorliegenden Simulation die Beziehung zwischen den Umlaufbahnen der zentralen schwarzen Löcher und der Art der Muttergalaxien berücksichtigt. «Unsere Berechnungen erlauben daher eine robuste Prognose für die Verschmelzungsrate von supermassiven schwarzen Löchern in der Frühzeit des Universums. Sie können dazu beitragen, die Gravitationswellen, die eLISA in naher Zukunft wohl finden wird, besser einschätzen zu können», erklärt Lucio Mayer, vom Institut für Computerwissenschaft der Universität Zürich.

Literatur:
Fazeel Mahmood Khan, Davide Fiacconi, Lucio Mayer, Peter Berczik und Andreas Just. Swift Coalescence of Supermassive Black Holes in Cosmological Mergers of Massive Galaxies. Astrophysical Journal, 2. September 2016. arXiv:1604.00015