Ein Jahrzehnt nach dem historischen Moment, als Wissenschaftler zum ersten Mal direkt Gravitationswellen nachwiesen und damit eine jahrhundertealte Vorhersage von Albert Einstein bestätigten, feiert die astrophysikalische Gemeinschaft einen weiteren bemerkenswerten Erfolg. Durch die Analyse eines Signals, das aus der Kollision zweier massiver Schwarzer Löcher resultierte, hat ein internationales Forscherteam, darunter auch Experten der Northwestern University, den bisher stärksten Beweis für das Flächentheorem für Schwarze Löcher erbracht, das 1971 vom legendären Stephen Hawking formuliert wurde. Dieser Durchbruch feiert nicht nur das zehnjährige Jubiläum einer neuen Ära in der Astronomie, sondern vertieft auch unser Verständnis für einige der rätselhaftesten Objekte im Universum.

Das unter der Bezeichnung GW250114 erfasste Signal gilt als das sauberste und klarste Signal einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern, das jemals vom Detektornetzwerk LVK aufgezeichnet wurde, zu dem das amerikanische LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), das europäische Virgo und das japanische KAGRA gehören. Gerade diese außergewöhnliche Klarheit des Signals ermöglichte es den Wissenschaftlern, Hawkings Postulat mit unglaublicher Präzision zu überprüfen.

Bestätigung von Hawkings Erbe

Stephen Hawkings Flächentheorem für Schwarze Löcher ist in seinem Kern erstaunlich einfach, hat aber tiefgreifende Implikationen. Es besagt, dass die Gesamtfläche des Ereignishorizonts von Schwarzen Löchern in einem geschlossenen System niemals abnehmen kann. Mit anderen Worten: Wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren und verschmelzen, muss die Fläche des neu entstandenen, größeren Schwarzen Lochs gleich oder größer sein als die Summe der Flächen der beiden ursprünglichen Schwarzen Löcher. Diese Gesetzmäßigkeit erinnert verblüffend an den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Gesamtentropie (ein Maß für die Unordnung) in einem isolierten System immer zunimmt oder gleich bleibt.

Genau diese Analogie veranlasste Hawking und andere Physiker, über eine tiefe Verbindung zwischen Gravitation, Thermodynamik und Quantenmechanik nachzudenken. Lange Zeit galt dieses Theorem als experimentell unüberprüfbar. Mit dem Aufkommen der Gravitationswellenastronomie ist das, was einst eine Domäne der theoretischen Physik war, nun jedoch zu einer messbaren Realität geworden.

Bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern spielt sich ein komplexes kosmisches Drama ab. Die Massen addieren sich, was natürlich zu einer Vergrößerung der Fläche führt. Gleichzeitig verliert das System eine gewaltige Menge an Energie in Form von Gravitationswellen, und das neu entstandene Schwarze Loch kann anfangen, erheblich schneller zu rotieren, was laut den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie zu einer Verringerung seiner Fläche führen kann. Hawking bewies mathematisch, dass trotz dieser gegenläufigen Effekte das Endergebnis immer eine Vergrößerung der Gesamtfläche sein muss. Der Nachweis von GW250114 ermöglichte es den Wissenschaftlern, diesen Prozess zum ersten Mal zu "hören" und zu messen und lieferte eine empirische, eindeutige Bestätigung von Hawkings Theorem.

Die Analyse der Daten zeigte, dass die ursprünglichen Schwarzen Löcher eine Gesamtfläche des Ereignishorizonts von etwa 240.000 Quadratkilometern hatten, was ungefähr der Fläche des US-Bundesstaates Oregon entspricht. Nach ihrem kosmischen Tanz und der endgültigen Verschmelzung hatte das neu entstandene Schwarze Loch eine beeindruckende Fläche von 400.000 Quadratkilometern, was der Fläche von Kalifornien entspricht. Die Zunahme war klar und messbar und stand in perfekter Übereinstimmung mit den Vorhersagen.

Das Jahrzehnt, das die Astronomie veränderte

Vor dem 14. September 2015 basierte unser gesamtes Wissen über das Universum auf der Beobachtung elektromagnetischer Strahlung – von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. An diesem historischen Tag zeichneten die LIGO-Detektoren das erste Signal auf, Wellen im Gewebe der Raumzeit selbst, die 1,3 Milliarden Jahre gereist waren, um die Erde zu erreichen. Das Signal trug die Geschichte der Kollision zweier Schwarzer Löcher in sich, ein Ereignis, das bis dahin nur eine theoretische Möglichkeit war. Es war der Beginn einer Revolution.

Seit dieser ersten Entdeckung hat die LVK-Kollaboration Hunderte von Ereignissen aufgezeichnet und dabei etwa 300 Messungen der Massen von kompakten Objekten geliefert. Jede neue Beobachtung brachte neue Erkenntnisse:

• Die erste Verschmelzung von Neutronensternen: Ein Ereignis, das im Gegensatz zur Verschmelzung von Schwarzen Löchern auch im elektromagnetischen Spektrum sichtbar war, was ein Fenster zur Multi-Messenger-Astronomie öffnete und bestätigte, dass solche Kollisionen die Quelle vieler schwerer Elemente im Universum sind, wie Gold und Platin.


• Verschmelzungen eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns: Die Bestätigung der Existenz dieser "gemischten" Binärsysteme.


• Asymmetrische Verschmelzungen: Kollisionen, bei denen ein Schwarzes Loch erheblich massereicher ist als das andere, was theoretische Modelle zur Bildung von Binärsystemen vor Herausforderungen stellt.


• Füllen der "Massenlücke": Die Entdeckung von Objekten mit Massen zwischen den schwersten bekannten Neutronensternen (etwa 2,5 Sonnenmassen) und den leichtesten bekannten Schwarzen Löchern (etwa 5 Sonnenmassen). Die Existenz dieser Objekte stellt die Idee einer klaren Grenze zwischen diesen beiden Arten von kosmischen Körpern in Frage.


• Rekordverdächtig massive Verschmelzung: Der Nachweis einer Verschmelzung, die zu einem Schwarzen Loch mit der 225-fachen Masse der Sonne führte, was die ersten Beweise für die Existenz von mittelschweren Schwarzen Löchern lieferte.

Forscher der Northwestern University und ihres Zentrums für interdisziplinäre Erforschung und Forschung in der Astrophysik (CIERA), unter der Leitung von Professorin Vicky Kalogera, spielten bei vielen dieser Meilensteine eine entscheidende Rolle. Ihre Arbeit an der Datenanalyse und der astrophysikalischen Interpretation war von unschätzbarem Wert für das Verständnis der Physik, die hinter diesen extremen kosmischen Ereignissen steht.

Technologie an der Grenze des Möglichen

Das beschleunigte Tempo der Entdeckungen wurde durch ständige Verbesserungen der Empfindlichkeit der Detektoren des LVK-Netzwerks ermöglicht. Es handelt sich um Wunder der Präzisionstechnik, die modernste Quantentechnologien nutzen. Gravitationswellen verzerren beim Durchgang durch den Detektor die Raumzeit um infinitesimal kleine Beträge – manchmal weniger als ein Zehntausendstel der Breite eines Protons. Das ist etwa 700 Billionen Mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Solch subtile Veränderungen zu erkennen, erfordert eine Technologie, die fast alle denkbaren Störquellen eliminieren kann, von seismischen Erschütterungen bis hin zu thermischen Fluktuationen in den Spiegeln des Interferometers selbst.

Gerade diese technologischen Fortschritte ermöglichten es, dass das Signal GW250114 so klar war. Zehn Jahre der Perfektionierung der Instrumente haben das, was 2015 ein kaum wahrnehmbares "Zirpen" war, in einen klaren Klang verwandelt, der eine Fülle von Informationen über die Eigenschaften der Schwarzen Löcher vor, während und nach der Verschmelzung enthält.

Ein Blick in die Zukunft der Gravitationswellenastronomie

Die wissenschaftliche Gemeinschaft ruht nicht. Die Pläne für die Zukunft sind noch ehrgeiziger. Der Bau eines dritten LIGO-Observatoriums, LIGO India, ist im Gange und wird die Fähigkeit des Netzwerks, die Quellen von Gravitationswellen am Himmel präzise zu lokalisieren, erheblich verbessern. Eine präzisere Lokalisierung ist entscheidend, um optische und andere Teleskope schnell auf die Quelle auszurichten, was für die Multi-Messenger-Astronomie von entscheidender Bedeutung ist.

Mit Blick auf eine noch fernere Zukunft werden Konzepte für Detektoren der nächsten Generation entwickelt. Das Projekt Cosmic Explorer in den USA sieht den Bau von Detektoren mit 40 Kilometer langen Armen vor (im Vergleich zu den 4 Kilometern der aktuellen LIGO-Detektoren). In Europa plant das Projekt Einstein Telescope den Bau eines riesigen unterirdischen Interferometers mit über 10 Kilometer langen Armen. Observatorien dieser Größenordnung werden so empfindlich sein, dass sie Verschmelzungen von Schwarzen Löchern bis zu den Anfängen des Universums "hören" können, was uns Einblicke in die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien geben wird.

Ein Jahrzehnt der Gravitationswellenastronomie hat unser Verständnis des Universums verändert. Die Bestätigung von Hawkings Theorem ist nicht nur die Krönung dieses Jahrzehnts, sondern auch ein Indikator dafür, dass wir uns erst am Anfang einer Reise zur Erforschung der tiefsten Geheimnisse der Gravitation und des Kosmos befinden. Jedes neue Signal, das die Detektoren aufzeichnen, schlägt ein neues Kapitel in der Geschichte des Universums auf.