Quelle: Humboldt-Universität zu Berlin 27. Juni 2024.

27. Juni 2024 – Unter der Leitung von Prof. Dr. Jan Plefka vom Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) hat ein internationales Team die Dynamik aufeinandertreffender Schwarzer Löcher mit bisher unerreichter mathematischer Präzision beschrieben. Ihre in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie liefert neue Einblicke in die Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen Objekten in unserem Universum.

Schwarze Löcher sind die Objekte mit der höchsten Massendichte in unserem Universum. Ihre gravitative Kraft ist so groß, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Wenn sich die Schwarzen Löcher aufeinander zubewegen, werden Gravitationswellen emittiert – ein Phänomen, das Albert Einstein bereits 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben hat und das an Gravitationswellendetektoren wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO, in den USA auch schon beobachtet wurde.

Kombination von Methoden ermöglicht präzise Beschreibung
Das Team von Physikern der Humboldt-Universität, dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und dem CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, hat nun die Streuung zweier Schwarzer Löcher und die durch die Anziehungskraft zwischen beiden Massen entstehenden Wechselwirkungen hochpräzise berechnet. Dafür haben sie Methoden aus der Quantenfeldtheorie und der Teilchenphysik auf das klassische Zwei-Körper-Problem der Physik übertragen. Mit dieser Vorgehensweise, die modernste mathematische Integrationstechniken und Hochleistungsrechner erforderte, konnten sie eine ganz neue Ebene der Präzision erreichen.

„Die Lösung dieses Problems markiert eine neue Grenze für Mehrschleifen-Berechnungen und effektive Feldtheorie-Techniken“, sagt Jan Plefka, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie am Institut für Physik der HU. „Wir mussten jeden Aspekt optimieren, von der Erzeugung des Integranden bis hin zur Entwicklung neuer Integrationsmethoden“, ergänzt Benjamin Sauer, Co-Autor und Doktorand in Plefkas Arbeitsgruppe. Insgesamt mussten etwa fünfhunderttausend 16-dimensionale Integrale, die den Streuwinkel beschreiben, auf 470 Masterintegrale reduziert werden, die dann berechnet wurden.

Hochpräzise Gravitationswellenmodelle für zukünftigen Detektor im Weltall
Mit ihren Berechnungen haben die Physiker eine näherungsweise Lösung des fundamentalen Zwei-Körper-Problems geliefert und zugleich die Grundlage für fortgeschrittene Gravitationswellenmodelle gelegt, die für Detektoren der nächsten Generation benötigt werden – so wie für die Laser Interferometer Space Antenna, LISA, einen Gravitationswellendetektor, den die Europäische Weltraumorganisation im All aufbauen will. Die höhere Präzision wird extrem genaue Tests der Einstein‘schen Theorie und neue Einblicke in die Kern- und Gravitationsphysik von Doppelsystemen rotierender Schwarzer Löcher ermöglichen.

„Unsere Ergebnisse bringen die Vorhersage von Gravitationswellen, die von Begegnungen zweier Schwarzen Löchern ausgehen, auf eine noch nie dagewesene Genauigkeit“, sagt Dr. Gustav Uhre Jakobsen, Co-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der HU-Arbeitsgruppe. „Dies eröffnet brillante neue Möglichkeiten, um Aussagen zu fundamentalen Fragen der Physik aus künftigen Gravitationswellenbeobachtungen zu extrahieren.“

Publikation:
Conservative Black Hole Scattering at Fifth Post-Minkowskian and First Self-Force Order
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.241402
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.241402

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• Schwarze Löcher

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Quelle: HITS 31. Juli 2023.

31. Juli 2023 – Ein Forscherteam des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS) prognostiziert nun, dass in diesem “Stimmenmeer“ die Chirps bevorzugt in zwei bestimmten Frequenzbereichen auftreten. Die Studie wurde im Fachjournal „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

Die Entdeckung der Gravitationswellen, wie sie bereits von Einstein vor hundert Jahren postuliert wurden, führte 2017 zum Nobelpreis für Physik und leitete den Beginn der Gravitationswellenastronomie ein. Wenn zwei Schwarze Löcher stellarer Masse verschmelzen, senden sie Gravitationswellen mit ansteigender Frequenz aus, das sogenannte „Chirp“-Signal, das auf der Erde hörbar gemacht werden kann. Aus der Beobachtung dieser Frequenzentwicklung (dem „Chirp“) können Forschende auf die so genannte „Chirp-Masse“ schließen, die mathematische Kombination der beiden einzelnen Massen der Schwarzen Löcher.

Bislang nahm man an, dass verschmelzende Schwarze Löcher eine beliebige Masse haben können. Die Computermodelle des HITS-Teams legen jedoch nahe, dass einige von ihnen Standardmassen haben, die dann zu universellen Chirps führen. „Die Existenz von universellen Chirp-Massen verrät uns nicht nur, wie Schwarze Löcher entstehen“, sagt Fabian Schneider, Leiter der Studie am HITS. „Sie lässt auch Rückschlüsse darauf zu, welche Sterne in Supernovae explodieren.“ Darüber hinaus bietet sie Einblicke in den Supernova-Mechanismus, in mit Unschärfe behaftete Kern- und Sternphysik und ermöglicht es Forschenden, die beschleunigte kosmologische Expansion des Universums zu messen.

„Gravierende Folgen für das Schicksal der Sterne“
Stellare Schwarze Löcher mit etwa der drei- bis hundertfachen Masse unserer Sonne sind die Endpunkte von massereichen Sternen, die nicht in Supernovae explodieren, sondern zu Schwarzen Löchern kollabieren. Deren Vorläufer, die zu Verschmelzungen führen, entstehen ursprünglich in Doppelsternsystemen und erleben mehrere Episoden des Massenaustauschs zwischen den Komponenten. Beide stammen von Sternen, die ihre Hülle verloren haben. „Der Verlust der Hülle hat gravierende Folgen für das Schicksal der Sterne. Es erleichtert zum Beispiel die Explosion in einer Supernova und führt zu universellen Massen von Schwarzen Löchern, wie sie unsere Simulationen jetzt vorhersagen“, sagt Philipp Podsiadlowski von der Universität Oxford, Zweitautor der Studie und derzeit Klaus Tschira Gastprofessor am HITS.

Der „stellare Friedhof“ – eine Sammlung aller bekannten Massen der Überreste von massereichen Sternen, d.h. Neutronensternen und Schwarzen Löchern – wächst rasch an, weil die Gravitationswellendetektoren zunehmend empfindlicher werden und weil auch an anderen Observatorien weiter nach solchen Objekten gesucht wird. Dabei scheint es eine Lücke in der Verteilung der Chirp-Massen bei verschmelzenden binären Schwarzen Löchern zu geben, und es gibt Hinweise, dass besonders viele Verschmelzungen mit 8 und 14 Sonnenmassen auftreten. Diese Merkmale entsprechen den vom HITS-Team vorhergesagten universellen Chirps. „Jede Auffälligkeit in der Verteilung der Massen von Schwarzen Löchern und Chirps verrät uns viel darüber, wie sich diese Objekte gebildet haben“, sagt Eva Laplace, die dritte Autorin der Studie.

Nicht in unserer Galaxie: massereiche Schwarze Löcher aus Doppelsternsystemen
Seitdem die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zum ersten Mal beobachtet wurde, hat sich herausgestellt, dass es noch wesentlich massereichere gibt als die in unserer Milchstraße. Dies liegt daran, dass sie von Sternen stammen, deren chemische Zusammensetzung sich von der in unserer Galaxie unterscheidet. Sterne, die in engen Doppelsternsystemen ihre Hülle verlieren, bilden – unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung – Schwarze Löcher von <9 und >16 Sonnenmassen, aber fast keine dazwischen, wie das Team am HITS herausfand.

Beim Verschmelzen implizieren die universellen Massen der Schwarzen Löcher von etwa 9 und 16 Sonnenmassen logischerweise universelle Chirp-Massen, also universelle Töne. „Bei der Aktualisierung meiner Vorlesung über Gravitationswellenastronomie fiel mir auf, dass an den Observatorien für Gravitationswellen erste Hinweise auf ein Fehlen beziehungsweise eine Häufung von Chirp-Massen festgestellt wurden. Und zwar genau bei den in unseren Modellen vorhergesagten universellen Massen“, sagt Fabian Schneider. „Da die Zahl der beobachteten Verschmelzungen von Schwarzen Löchern bislang recht gering ist, muss sich erst noch herausstellen, ob dieses Signal in den Daten nur statistischer Zufall ist“.

Wie auch immer das Ergebnis künftiger Gravitationswellenbeobachtungen ausfallen wird: Die Ergebnisse werden Forschenden helfen, besser zu verstehen, woher die singenden schwarzen Löcher in diesem Stimmenmeer kommen.

Über das HITS
Das HITS (Heidelberger Institut für Theoretische Studien) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitbegründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als privates, gemeinnütziges Forschungsinstitut gegründet. Es betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Zu den Hauptforschungsrichtungen zählen komplexe Simulationen auf verschiedenen Skalen, Datenwissenschaft und -analyse sowie die Entwicklung rechnergestützter Tools für die Forschung. Die Anwendungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Ein wesentliches Merkmal des Instituts ist die Interdisziplinarität, die in zahlreichen gruppen- und disziplinübergreifenden Projekten umgesetzt wird. Die Grundfinanzierung des HITS wird von der Klaus Tschira Stiftung bereitgestellt.

Publikation
Fabian R. N. Schneider, Philipp Podsiadlowski, and Eva Laplace: Bimodal Black Hole Mass Distribution and Chirp Masses of Binary Black Hole Mergers. The Astrophysical Journal Letters, 950, 2, DOI 10.3847/2041-8213/acd77a, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acd77a;

Für das Projekt wurden Fördermittel des Europäischen Forschungsrats (ERC) im Rahmen des Programms der Europäischen Union für Forschung und Innovation „Horizont 2020“ bereitgestellt (Finanzhilfevereinbarung Nr. 945806).

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag HITS: Der Gleichklang Schwarzer Löcher erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Mit einem Happs ist alles im Schlund: Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, ist das ein gewaltiges kosmisches Ereignis, das die ganze Raumzeit erbeben lässt. Physikerinnen und Physiker freuen sich dann über die dabei entstehen Gravitationswellen, jenes Zittern der Raumzeit, das erstmals 2015 mit dem Gravitationswellendetektor LIGO gemessen wurde. Inzwischen ist die Entdeckung von solchen Verschmelzungen fast Routine geworden, über 90 Ereignisse zählt der dritte Gravitationswellenkatalog.

Doch schon das erste entdeckte Gravitationswellensignal namens GW150904 gab Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehrere Rätsel auf: Die beiden Schwarzen Löcher, die da miteinander verschmolzen, waren eigentlich viel zu massereich, um existieren zu dürfen. Und kaum hatte man sich darüber Gedanken gemacht, gab es schon das nächste Problem: Wie schafft es dieses kompakte Doppelsystem, sich überhaupt nahe genug zu kommen, um miteinander zu verschmelzen, ohne sich vorher schon zu zerstören? Und dazu müsste dieser kosmische Annäherungsversuch eigentlich länger brauchen, als das Universum alt ist.

Franzi erzählt Karl in dieser Podcast-Folge die Geschichte dieser kompakten Binärsysteme: Denn Forschende wissen inzwischen dank der Gravitationswellen, dass es sie gibt. Warum es sie gibt, ist hingegen weniger klar.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Schwarze Löcher
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Schwarze Löcher – wenn die Raumzeit zu stark zittert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 18. November 2022.

18. November 2022 – Wenn Schwarze Löcher im Universum aufeinanderprallen, dann beben Raum und Zeit: Die bei der Verschmelzung freiwerdende Energiemenge ist so groß, dass sie die Raumzeit in Schwingung versetzt – ähnlich wie Wellen auf einer Wasseroberfläche. Diese Gravitationswellen breiten sich durch das gesamte Universum aus und lassen sich auch in Tausenden von Lichtjahren Entfernung noch messen – so wie am 21. Mai 2019, als die beiden Gravitationswellenobservatorien LIGO (USA) und Virgo (Italien) ein solches Signal einfingen. Das nach dem Datum seiner Entdeckung GW190521 benannte Gravitationswellenereignis hat seither in der Fachwelt für Gesprächsstoff gesorgt, da es sich von den zuvor gemessenen Signalen deutlich unterscheidet.

Das Signal war zunächst so interpretiert worden, dass es sich bei der Kollision um zwei Schwarze Löcher handelte, die sich auf nahezu kreisförmigen Bahnen umeinander bewegen. „Solche binären Systeme können durch eine Reihe astrophysikalischer Prozesse entstehen“, erklärt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi, theoretischer Physiker von der Universität Jena. So seien die meisten von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher stellaren Ursprungs. „Das heißt, sie sind die Überreste von massereichen Sternen in Doppelsternsystemen“, so Bernuzzi weiter, der die aktuelle Studie leitete. Solche Schwarzen Löcher umrunden einander auf quasi kreisförmigen Bahnen, so wie es die ursprünglichen Sterne zuvor auch schon taten.

Ein Schwarzes Loch fängt ein zweites ein
„GW190521 verhält sich aber deutlich anders“, macht Rossella Gamba deutlich. Die Erstautorin der Publikation promoviert im Jenaer Graduiertenkolleg 2522 und gehört zu Bernuzzis Team. „Seine Morphologie und seine explosionsartige Struktur unterscheiden sich extrem von früheren Beobachtungen.“ Also machten sich Rossella Gamba und ihre Kollegen auf die Suche nach einer alternativen Erklärung für das außergewöhnliche Gravitationswellensignal. Mit einer Kombination aus modernsten analytischen Methoden und numerischen Simulationen auf Supercomputern berechneten sie unterschiedliche Modelle für die kosmische Kollision. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass diese statt auf einer quasi kreisförmigen auf einer stark exzentrischen Bahn erfolgt sein musste: Ein Schwarzes Loch bewegt sich dabei zunächst ungebunden in einer relativ dicht mit Materie gefüllten Umgebung und kann, sobald es in die Nähe eines anderen Schwarzen Loches gelangt, von dessen Gravitationsfeld „eingefangen“ werden. Auch dies führt zur Entstehung eines binären Systems, allerdings bewegen sich die beiden Schwarzen Löcher hier nicht kreisförmig, sondern exzentrisch, in taumelnden Bewegungen umeinander.

„Ein solches Szenario erklärt die Beobachtungen deutlich besser als jede andere bisher vorgestellte Hypothese. Die Wahrscheinlichkeit liegt bei 1:4300“, sagt Matteo Breschi, Doktorand und Koautor der Studie, der die Infrastruktur für die Analyse entwickelt hat. Und Postdoktorand Dr. Gregorio Carullo ergänzt: „Auch wenn wir derzeit noch nicht genau wissen, wie oft solche dynamischen Begegnungen von Schwarzen Löchern überhaupt vorkommen, rechnen wir nicht damit, dass sie häufig passieren.“ Das mache die aktuellen Ergebnisse umso spannender. Dennoch bedarf es noch weiterer Forschungsarbeit, um die Entstehungsprozesse von GW190521 zweifelsfrei aufzuklären.

Teamwork im Graduiertenkolleg
Für das aktuelle Projekt haben die Teams in Jena und Turin (im Rahmen des von der DFG geförderten Jenaer Graduiertenkollegs 2522 „Dynamics and Criticality in Quantum and Gravitational Systems”) einen allgemein-relativistischen Rahmen für die exzentrische Verschmelzung von Schwarzen Löchern entwickelt und die analytischen Vorhersagen mit Simulationen der Einsteinschen Gleichungen überprüft. Erstmals kamen bei der Analyse von Gravitationswellen-Beobachtungsdaten Modelle von dynamischen Begegnungen zum Einsatz.

Originalpublikation:
Gamba, R., Breschi, M., Carullo, G. et al.: GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes. Nat Astron (2022), doi.org/10.1038/s41550-022-01813-w, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01813-w.

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Gravitationswellen – Kollision mit Schlagseite erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

17. Februar 2022 – Die Forscher und Forscherinnen konnten sechs Verschmelzungen identifizieren, inklusive eines bislang unbekannten Ereignisses, das von den Forscher*innen auf den Namen „Pontus“ getauft wurde. Die neuen Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Rekonstruktion der Milliarden Jahre währenden Geschichte unserer Galaxie. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Astrophysical Journal veröffentlicht.

Auf künstlerischen Darstellungen der Milchstraße sieht unsere Heimatgalaxie wie eine leuchtende Scheibe aus Sternen aus. Einige davon bilden ein Muster wirbelnder Spiralarme. Weniger auffällig, aber dennoch interessant, ist der stellare Halo unserer Galaxie: eine riesige kugelförmige Region aus Sternen, die die gesamte galaktische Scheibe samt umliegender Regionen umgibt. Nach unserem derzeitigen Wissen zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße finden sich in diesem Halo die ältesten Sterne in unserer Galaxie.

Der stellare Halo ist dabei so etwas wie ein Archiv der Wechselwirkungen unserer Heimatgalaxie mit ihrer Umgebung. Von Zeit zu Zeit kommt eine kleinere Galaxie der Milchstraße so nahe, dass die Schwerkraft unserer Heimatgalaxie sie einfängt. Die Schwerkraft unserer eigenen Galaxie wirkt dabei stärker auf diejenigen Teile der eingefangenen Galaxie, die uns näher sind, und schwächer auf diejenigen Teile, die weiter entfernt sind. Durch dieses ungleiche Ziehen wird dir eingefangene Galaxie zu einem länglichen Strom von Sternen und Gas auseinandergezogen, der als Sternstrom bezeichnet wird. Dieser Sternstrom umkreist dann weiterhin den Halo, auch wenn sich seine Sterne im Laufe der kommenden Milliarden Jahre immer mehr verlaufen.

Der Weg zur Verschmelzungs-Karte
Weitere Bestandteile der kleineren Galaxie dürften ebenfalls in unserem Halo erhalten geblieben sein. Galaxien enthalten so genannte Kugelsternhaufen: kompakte Haufen von (meist älteren) Sternen, die durch ihre gegenseitige Schwerkraft stark aneinander gebunden sind. Außerdem werden Galaxien normalerweise von noch kleineren Satellitengalaxien umkreist. Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien einer kleineren Galaxie, die mit der Milchstraße verschmolzen ist, landen ebenfalls im Halo der Milchstraße.

Die neue Studie unter der Leitung von Khyati Malhan, einem Postdoktoranden am Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA], ist ein ehrgeiziger Versuch, Daten über Sternströme, Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien zusammenzuführen, um auf diese Weise einen umfassenden „Verschmelzungsatlas“ für die Milchstraße zu erstellen: eine Karte, die zeigt, welche der sichtbaren Objekte Überbleibsel welcher Verschmelzungen sind, die unsere Heimatgalaxie durchgemacht hat.

Genaue Daten von der ESA-Mission Gaia
Die Analyse war nur möglich, weil vor kurzem ein einzigartiger Datensatz verfügbar wurde: die Vorab-Version des Data Release 3 (Early Data Release 3, EDR3) der Gaia-Mission der ESA. Die 2013 gestartete Gaia-Mission, deren erste Daten 2016 veröffentlicht wurden, liefert sogenannte astrometrische Daten für mehr als eine Milliarde Sterne, vor allem sehr genaue Positionen sowie Informationen über die Veränderungen der Sternposition am Himmel mit der Zeit („Eigenbewegung“).

Mit Hilfe der Gaia-Daten konnte die Zahl der bekannten Sternströme bereits von rund 25 auf rund 50 verdoppelt werden. Sternströme sind am Nachthimmel nicht ohne Weiteres zu erkennen. Schaut man sich Bilder von Himmelsregionen an, auf denen die Sterne eines Sternstroms mit zu sehen sind, ist ohne eine weitergehende Analyse oft gar nicht zu erkennen, dass dort ein Sternstrom vorhanden ist. Aber die Daten von Gaia für die Eigenbewegung von Milliarden von Sternen am Himmel, die in der zweiten Datenfreigabe (DR2) durch so genannte Radialgeschwindigkeitsmessungen für 7 Millionen Sterne ergänzt wurden (ein Maß für die Bewegung eines Sterns auf uns zu oder von uns weg), ermöglichen die Rekonstruktion der Bewegung von Sternen. Und nahe beieinander liegende Sterne, die sich außerdem in etwa in die gleiche Richtung bewegen, sind ein verräterisches Indiz dafür, dass jene Sterne Teil ein und desselben Sternstroms sind.

Wirkungsvariable und eine systematische Analyse
Die Arbeit von Malhan und seinen Kollegen und Kolleginnen nutzt Gaia-Daten nicht für einzelne Sterne, sondern um die Bewegung der Sternströme, Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien im stellaren Halo zu rekonstruieren. Die Forscher und Forscherinnen fanden die notwendigen Daten mit der für ihre Rekonstruktion erforderlichen Genauigkeit im Early Data Release 3 (EDR3) der Gaia-Mission, der am 3. Dezember 2020 veröffentlicht wurde.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Bewegung in einem Gravitationspotenzial zu beschreiben, aber eine bestimmte Gruppe von Größen, sogenannte „Wirkungsvariablen“, erwies sich als besonders geeignet für die vorliegende Aufgabe. Die Wirkungsvariablen ähneln bekannten physikalischen Größen wie Energie oder Drehimpuls, die sich aus der Bewegung eines Objekts errechnen lassen, sind allerdings deutlich abstrakter. Sie haben einen entscheidenden Vorteil: Verschmilzt eine kleinere Galaxie mit der Milchstraße, dann sind sich die Werte der Wirkungsvariablen für alle beteiligten Komponenten – Sterne, Satelliten, Kugelsternhaufen – untereinander sehr ähnlich, und das über den gesamten Ablauf des Verschmelzungsprozesses hinweg. Eine Auswertung der Wirkungsvariablen kann deswegen umgekehrt Aufschluss darüber geben, welche Objekte ursprünglich Teil derselben Galaxie und damit desselben Verschmelzungsprozesses waren.

Eine Verschmelzung namens Pontus
Die Forscher und Forscherinnen berechneten aus den Gaia EDR3-Daten die Werte der Wirkungsvariablen für insgesamt 170 Kugelsternhaufen, 41 Sternströme und 46 Satellitengalaxien. Ganze 62 der Objekte konnte ihre statistische Analyse tatsächlich insgesamt sechs verschiedenen Verschmelzungen zuordnen, von denen fünf bereits bekannt waren: Sagittarius, Cetus, Gaia-Sausage/Enceladus, LMS-1/Wukong und Arjuna/Sequoia/I’itoi.

Aber auch eine vorher nicht bekannte Verschmelzung entdeckten die Forscher und Forscherinnen dabei. Sie gaben der Verschmelzung und der dabei beteiligten kleineren Galaxie den Namen Pontus. Die kleinere Galaxie Pontus, die mit unserer verschmolz, bewegte sich dabei entgegengesetzt zur Rotation der Milchstraßenscheibe, und das bei vergleichsweise geringer Energie. Das könnte darauf hindeuten, dass diese spezielle Verschmelzung schon sehr lange her ist.

Verschmelzung mit einer metallarmen Galaxie
Die Analyse lieferte außerdem neue Daten über eine bereits zuvor bekannte Verschmelzung: Sie zeigte, dass drei bereits zuvor bekannte Sternströme tatsächlich ein Teil der LMS-1/Wukong-Verschmelzung waren, die 2020 entdeckt wurde. Interessanterweise sind dies die „metallärmsten“ Sternströme, die wir kennen. Dabei muss man wissen: Metalle sind im Sprachgebrauch der Astronomie alle Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Enthielt die Vorläufergalaxie nur sehr wenige dieser schwereren Elemente, dann ist wahrscheinlich, dass sie bereits sehr früh in der kosmischen Geschichte entstand. (Die Verschmelzung jener Galaxie mit unserer Milchstraße könnte allerdings auch erst sehr viel später stattgefunden haben.)

Für die übrigen 195 Objekte gibt es mehrere Möglichkeiten. Diese Objekte könnten Teil deutlich kleinerer Galaxien gewesen sein, die mit der Milchstraße verschmolzen sind und keine größeren Objektgruppen zurückgelassen haben. Sie könnten auch ein Hinweis auf die Grenzen der verwendeten Methode sein. Dafür spricht, dass die Forscher einen Kandidaten für eine siebte Verschmelzung durch direktes Nachschauen in ihrem Wirkungsvariablen-Diagramm fanden, während die automatische Auswertung diese und zwei andere, vorher bereits bekannte Verschmelzungen übersehen hatte. Letztlich braucht es offenbar mehrere sich ergänzende Ansätze, um die kosmische Geschichte unserer Heimatgalaxie zu rekonstruieren. Aber alles in allem machen die sechs automatisch nachgewiesenen Verschmelzungen (plus der zusätzliche Kandidat) den Großteil der geschätzten neun bis zehn Verschmelzungen mit massereicheren Galaxien aus, die unsere Heimatgalaxie in ihrem bisherigen Leben überhaupt durchgemacht hat.

Nächste Schritte
Die jetzt neu veröffentlichte Analyse liefert dabei noch keine Rekonstruktion der kosmischen Ereigniskette – sagt also nichts darüber aus, in welcher Reihenfolge die Verschmelzungen stattfanden. Diese Reihenfolge planen die Forscher und Forscherinnen in einem nächsten Schritt herauszufinden, indem sie die möglichen Abfolgen der Verschmelzungen simulieren. Klappt alles wie geplant, dann sollte der Vergleich zwischen den Ergebnissen dieser Simulationen einerseits und den verfügbaren Daten andererseits zeigen, wie sich der stellare Halo unserer Galaxie in den letzten Milliarden Jahren mehr und mehr gefüllt hat – ein Verschmelzungsereignis nach dem anderen.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als K. Malhan et al., „The Global Dynamical Atlas of the Milky Way mergers: constraints from Gaia EDR3 based orbits of globular clusters, stellar streams and satellite galaxies“ im Astrophysical Journal veröffentlicht.

Die beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Khyati Malhan und Nicolas Martin (außerdem Université de Strasbourg) in Zusammenarbeit mit Rodrigo A. Ibata (Université de Strasbourg), Sanjib Sharma (Sydney Institute for Astronomy), Benoit Famaey (Université de Strasbourg) und anderen.

Publikation
The Global Dynamical Atlas of the Milky Way mergers:
constraints from Gaia EDR3 based orbits of globular clusters, stellar streams and satellite galaxies
https://arxiv.org/abs/2202.07660
pdf.: https://arxiv.org/pdf/2202.07660

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• Die Milchstraße

Der Beitrag Kartiert: Galaxien, die unsere Milchstraße sich über die letzten Milliarden Jahre hinweg einverleibt hat erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Maria Steinrück. Quelle: NASA.

Kollidierende und verschmelzende Galaxien sind in unserem Universum häufig zu finden. Durch die Gravitation berühren sich nahe Galaxien und verschmelzen innerhalb von Millionen Jahren zu einer einzigen Galaxie. Auch unserer Milchstraße steht solch ein Zusammenstoß mit der Nachbargalaxie M 31 (Andromedagalaxie) in etwa fünf Milliarden Jahren bevor.
Die einzelnen Sterne stoßen bei solchen Kollisionen nicht zusammen, dafür sind die Abstände zwischen ihnen zu groß. Doch sie werden durcheinander geworfen und teilweise sogar aus der Galaxie hinausgeschleudert. Wenn Galaxien, die reich an interstellarem Gas sind, verschmelzen, bilden sich dabei auch viele neue Sterne.

Am häufigsten wurde beobachtet, dass große Galaxien mehrere kleinere verschlingen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die „Spinnennetzgalaxie“, die Dutzende kleinere Galaxien in ihrem „Netz“ der Anziehungskraft fängt. Auch Kollisionen von zwei Galaxien ähnlicher Größe wurden beobachtet. Doch das Verschmelzen mehrerer massiver Galaxien wurde zuvor noch nie festgestellt.

„Die meisten kollidierenden Galaxien sind wie Kleinwagen, die zusammenstoßen. Was wir hier haben, ist jedoch ein Zusammenprall von vier Lastwagen“, verglich Kenneth Rines vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Diese vier verschmelzenden Galaxien wurden vom Spitzer-Weltraumteleskop entdeckt, als es den weit entfernten Galaxienhaufen CL0958+4702 untersuchte. Diese Ansammlung von Galaxien ist fünf Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt.

Drei der Galaxien sind ungefähr so groß wie die Milchstraße, die vierte hat jedoch die dreifache Größe. Im Gegensatz zur Milchstraße handelt es sich bei allen vier Galaxien um elliptische Galaxien. Während des Zusammenstoßes wurden Milliarden von älteren Sternen aus den Galaxien hinausgeschleudert. Etwa die Hälfte von ihnen wird während der Galaxienverschmelzung wieder ins Innere der Galaxien fallen. Danach wird eine der massereichsten Galaxien des Universums übrigbleiben.

In den verschmelzenden Galaxien gibt es wenig interstellares Gas. Dies können die Astronomen daran erkennen, dass sie dort nur alte Sterne entdeckten, ganz im Gegensatz zu vielen Kollisionen mit gasreichen Galaxien, bei denen massenhaft heiße, junge Sterne entstehen.

Für die nähere Untersuchung der vier Galaxien wurden neben Spitzer auch das MMT und das WIYN-Teleskop in Arizona sowie das Chandra-Röntgenteleskop eingesetzt.

Der Beitrag Spitzer entdeckt gigantische Galaxienkollision erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA.

„Solche Verschmelzungen sind bei Weitem die energiereichsten Ereignisse im Universum, bei denen mehr Energie frei wird als alle Sterne zusammen genommen ausstrahlen“, sagte Joan Centrella, Leiterin des Gravitational Astrophysics Laboratory im Goddard-Weltraumzentrum der NASA. „Jetzt haben wir realistische Simulationen, an denen wir uns beim Bau zukünftiger Gravitationswellendetektoren orientieren können.“
Wenn zwei große Schwarze Löcher kollidieren, rasen Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen, die das gesamte All erzittern lassen wie einen Wackelpudding. Dies geht schon aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie hervor. Frühere Versuche, den Vorgang zu simulieren, wurden aber von Computerproblemen geplagt, denn die nötigen Gleichungen erwiesen sich als viel zu komplex. Einsteins Theorie basiert ursprünglich auf der Tensorrechnung, einem Teilgebiet der Mathematik, das sich nur mühsam in Computerbefehle umsetzen lässt: Selbst einfachste Tensorgleichungen benötigen schon Tausende von Zeilen Computer-Quellcode. Aber die Goddard-Forscher haben einen Weg gefunden, Einsteins Mathematik so zu transformieren, dass Computer sie „verstehen“ können, und damit war der Weg frei, darauf basierende Simulationen zu schaffen.

Die Ergebnisse der Forscher-Gruppe erschienen in der Ausgabe vom 26. März der „Physical Review Letters“. Hauptautor ist John Baker vom Goddard-Zentrum. Die dreidimensionalen Simulationen wurden auf dem viertschnellsten Supercomputer der Welt (Stand November 2005), dem „Columbia“ des NASA-Ames-Forschungszentrums durchgeführt. Es sind die größten astrophysikalischen Berechnungen, die je auf einem NASA-Supercomputer durchgeführt wurden, und sie liefern die Grundlage, das Universum auf eine vollkommen neue Art zu erforschen.

Wie nach einem Steinwurf in einen Teich breiten sich Gravitationswellen aus – aber natürlich nicht nur in einem zweidimensionalen Kontinuum wie es die Wasseroberfläche darstellt, sondern im Raum und in der Zeit gleichermaßen, also in einem vierdimensionalen Kontinuum, das Einstein „Raumzeit“ nannte. Dabei wechselwirken Gravitationswellen aber kaum mit Materie, die sie unterwegs vielleicht durchdringen: Ein Mensch würde während des Durchgangs einer solchen Welle durch seinen Körper noch nicht mal um die Größe eines Atoms wachsen beziehungsweise schrumpfen. Daher können Gravitationswellen mühelos die Staub- und Gasschleier durchdringen, die unsere Sicht auf Schwarze Löcher und andere Objekte verstellen, und dürften daher eine neues Sicht auf das Universum eröffnen und präzise Experimente zur Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichen.

Bisher konnten Gravitationswellen noch nicht direkt nachgewiesen werden. Mit dem erdbasierten Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory der National Science Foundation der USA und der vorgeschlagenen Laser Interferometer Space Antenna, einem gemeinsamen Projekt von NASA und ESA, hoffen Wissenschaftler die überraschend subtilen Wellen erstmals messen zu können.
Verschmelzungen von Schwarzen Löchern produzieren Gravitationswellen en masse, und das manchmal jahrelang, während die Schwarzen Löcher sich einander annähern und schließlich kollidieren. Schwarze Löcher sind Bereiche derart extremer Gravitation, dass nichts, selbst Licht nicht, ihrer Anziehung entkommen kann. Hierin liegt die Schwierigkeit, ein mathematisches Modell eines Schwarzen Loches zu generieren: Der Raum verzerrt sich, die Dichte der Materie wird unendlich groß und die Zeit kommt zum Stillstand. Solche Variablen sind es, die Computersimulationen zum Absturz bringen können.

Wenn sie kollidieren, produzieren die massiven Objekte Gravitationswellen von unterschiedlichen Wellenlängen und Stärken, in Abhängigkeit von der Größe der beteiligten Massen. Das Goddard-Team hat sich zunächst auf den Fall nicht rotierender Schwarzer Löcher gleicher Masse beschränkt, beginnend mit den letzten zwei bis fünf Orbits umeinander, bevor sie endgültig miteinander verschmelzen.

Bei jedem Simulationslauf orbitierten die Schwarzen Löcher stabil und produzierten identische Wellenformen vor, während und nach der Kollision – unabhängig vom Startpunkt. Diese Kombination von Stabilität und Reproduzierbarkeit unterschied die neuen Simulationen von früheren Versuchen und erhöhte das Vertrauen der Forscher in die Richtigkeit ihrer Transformation von Einsteins Gleichungen. Das Team hat mittlerweile die Simulation von Verschmelzungen Schwarzer Löcher ungleicher Masse in Angriff genommen.

Hier können Sie eine grafische Darstellung der Simulation sehen (MPEG 7,8 MB; Quelle: NASA).

Einige Ausschnitte:

Der Beitrag Wenn Schwarze Löcher verschmelzen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roger Spinner. Quelle: Universetoday.

Das Team von Astronomen, bestehend aus Yoshiaki Taniguchi und Shunji Sasaki von der Tohoku University, sowie Nicolas Scoville vom California Institute of Technology, machte eine einzigartige Aufnahme zweier Galaxien. Darauf ist eine Galaxie zu sehen, die ihrer kleineren Begleitgalaxie unaufhörlich Sterne entzieht und sie somit über Jahrmillionen regelrecht auffrisst.
Sichtbar wird dieser Prozess durch ein ausgedehntes Band von Sternen zwischen den beiden Galaxien, welches sich über eine Distanz von über 500.000 Lichtjahren erstreckt. Dieses Sternenband ist somit zugleich das längste je von Astronomen entdeckte seiner Art.

Die aktuelle Theorie über die Entstehung von Galaxien besagt, dass große Galaxien, wie zum Beispiel die Milchstraße, nicht zuletzt durch das Absorbieren von kleineren Nachbargalaxien entstanden sind. Anzeichen für diesen Prozess, wie zum Beispiel einzelne Gruppen von Sternen, die sich gemeinsam in eine ungewöhnliche Richtung bewegen, findet man heute auch in der Nachbarschaft unserer eigenen Galaxis. Einige Sterne in der Milchstraße scheinen einst zu einer kleinen Nachbargalaxie, dem so genannten „Sagitarius Dwarf“, gehört zu haben.

Unsere nächste Nachbargalaxie, die Andromeda Galaxie zeigt ebenfalls Anzeichen für eine vergleichbare Entstehungsgeschichte. In beiden Fällen können wir jedoch nur aufgrund des heutigen Zustandes Rückschlüsse auf die einstigen Vorkommnisse ziehen, die zur Entstehung der beiden Galaxien geführt haben.

Direkt sichtbare Hinweise dafür, dass eine große Galaxie ihren kleinen Begleiter „auffrisst“ sind nicht leicht zu finden, da die kleinen Galaxien die absorbiert werden, in der Regel sehr schwach leuchtende Zwerggalaxien sind. Die eigentliche Zerstörung der Zwerggalaxien ist daher sehr schwierig zu beobachten, diese Objekte leuchten von sich aus schon sehr schwach und ihr Licht wird zunehmendes schwächer, je mehr Sterne ihnen von den größeren Galaxien entzogen werden.

Die einzig bisher bekannte direkte Bobachtung eines solchen Ereignisses stammt von einer Aufnahme der Advanced Camera for Surveys des Hubble Space Telescope.

Taniguchi, Sasaki, und Scoville entdeckten die grosse elliptische Galaxie COSMOS J100003+020146 und die kleine Zwerggalaxie COSMOS J095959+020206 während sie die Eigenschaften von Galaxien in einem Teilabschnitt des Sternbilds Sextant studierten. Das Galaxienpaar ist ungefähr eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt, die Distanz zwischen den beiden Galaxien beträgt ungefähr 330.000 Lichtjahre.
Das dünne Band aus Sternen, welches sich von der Zwerggalaxie her ausdehnt, sowohl hin zur Elliptischen Galaxie als auch von ihr weg, zeigt auf, dass die Gravitationskräfte der Elliptischen Galaxie den Zwerg regelrecht auseinander reißen. Sterne die näher an der elliptischen Galaxie liegen, werden dabei stärker zu ihr hingezogen als solche, die sich im Zentrum der Zwerggalaxie befinden. Sterne auf der abgewandten Seit erfahren sogar einer noch schwächere Anziehungskraft. Daher sieht die Zwerggalaxie aus als ob sie von zwei Seiten her gleichzeitig auseinander gerissen würde, und dies, obwohl nur eine Galaxie daran beteiligt ist.

Dasselbe Phänomen kann man übrigens auch auf der Erde beobachten. Dass auf zwei Seiten der Erde zur gleichen Zeit Flut herrschen kann, obwohl der Mond die Ozeane nur von einer Seite her anzieht ist ein anschauliches Beispiel für diesen Effekt.

Der durch die Gezeitenkräfte auseinander gerissene Sternenstreifen im neulich beobachteten Galaxienpaar ist drei Mal schwächer in seiner Oberflächenhelligkeit als das seiner Zeit von Hubble beobachtete Band. Nur dank der hervorragenden Optik des Subaru Teleskops war diese Aufnahme von einem erdgebundenen Teleskop aus überhaupt möglich.

Sollten Astronomen künftig weitere Beispiele solch galaktischen Kannibalismus finden, wird unser Wissen über die Entstehungsgeschichte der Galaxien dadurch zusehends klarer werden.

Auch wenn kein heute lebender Mensch in der Lage sein wird, das Ende dieses ungleichen Tauziehens mit zu erleben, so ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die elliptische Galaxie ihr einmal begonnenes Werk fortsetzt und eines fernen Tages ihre kleine Begleitgalaxie völlig absorbiert haben wird.

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