Gravitationswellen entstehen früher als gedacht

7. Oktober 2016

Ein internationales Astronomenteam mit Heidelberger Beteiligung berechnet das Auftreten von Gravitationswellen nach der Kollision von zwei Galaxien

Quelle: Astrophysical Journal

Diese Simulation dokumentieren vier Schritte beim Verschmelzen von zwei Galaxien über eine Zeitdauer von etwa 15 Millionen Jahren.

Kollidieren zwei Galaxien, erzeugt die Verschmelzung der zentralen Schwarzen Löcher Gravitationswellen, die sich wellenartig über das ganze Weltall ausbreiten. Bislang konnte die Wissenschaft jedoch nicht schlüssig voraussagen, zu welchem Zeitpunkt diese Wellen ausgelöst werden. Dies hat nun erstmals ein internationales Team von Astrophysikern der Universität Zürich, des Institute of Space Technology Islamabad, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Heidelberg mit Hilfe von Computersimulationen berechnet. Danach treten Gravitationswellen etwa zehn Millionen Jahre nach der Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien und damit viel schneller als bisher angenommen auf.

Wie der Heidelberger Astrophysiker Prof. Dr. Andreas Just erläutert, besitzt jede Galaxie in ihrem Zentrum ein supermassives Schwarzes Loch, das eine Masse von Millionen oder gar Milliarden Sonnen aufweisen kann. Die Wissenschaftler haben nun mit Hilfe von Supercomputern das Verschmelzen von zwei Galaxien im etwa drei Milliarden Jahren jungen Universum simuliert. Sie ermittelten die Zeit, die die zwei zentralen Schwarzen Löcher mit etwa 100 Millionen Sonnenmassen brauchen, um nach der Kollision der Galaxien zu verschmelzen und starke Gravitationswellen auszusenden.

Die über ein Jahr andauernden Computersimulationen wurden unter anderem an der Universität Heidelberg durchgeführt. „Das Projekt erforderte einen innovativen Berechnungsansatz mit verschiedenen numerischen Codes, die auf unterschiedlichen Supercomputern zum Einsatz kamen“, erklärt Andreas Just vom Astronomischen Rechen-Institut, das zum Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) gehört. Auf jedem Hochleistungsrechner wurde eine bestimmte Phase der Annäherung der beiden massereichen Schwarzen Löcher und ihrer Muttergalaxien berechnet.

Nach Angaben der Wissenschaftler ist das Ergebnis der Studie überraschend. So löste das Verschmelzen der beiden Schwarzen Löcher bereits nach zehn Millionen Jahren starke Gravitationswellen aus – dieser Prozess geschah demnach etwa einhundert Mal schneller als bisher angenommen. Gegenüber bisherigen Modellen wurde in der aktuellen Simulation auch die Beziehung zwischen den Umlaufbahnen der zentralen Schwarzen Löcher und der Art der Muttergalaxien berücksichtigt. Die Berechnungen erlauben daher eine robuste Prognose für die Verschmelzungsrate von supermassiven Schwarzen Löchern in der Frühzeit des Universums.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal“ veröffentlicht. Der Erstautor Fazeel Mahmood Khan ist als Professor am Institute of Space Technology in Islamabad in Pakistan tätig. Der Wissenschaftler wurde im Jahr 2011 am ZAH bei Prof. Just promoviert.