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Ein Jahrzehnt nach der ersten Entdeckung: ein klareres kosmisches Rauschen
Zehn Jahre nach der ersten direkten Detektion von Gravitationswellen hat ein neues, außerordentlich deutliches Signal Physikerinnen und Physikern ermöglicht, ein fundamentales Gesetz der Schwarzes-Loch-Physik mit beispielloser Präzision zu prüfen. In Physical Review Letters veröffentlicht und von der internationalen LIGO/Virgo/KAGRA (LVK) Kollaboration berichtet, ähnelt das Ereignis GW250114 stark der allerersten Entdeckung GW150914, kommt jedoch dank eines Jahrzehnts an Detektorverbesserungen mit weit größerer Klarheit.
Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die durch beschleunigte Massen wie verschmelzende Schwarze Löcher und Neutronensterne erzeugt werden. Die Entdeckung von 2015, GW150914 — die erste direkte Beobachtung dieser Wellen — bestätigte eine Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und leitete die Ära der Gravitationswellenastronomie ein. Seitdem haben LIGO in den USA, Virgo in Italien und KAGRA in Japan Hunderte von Signalen aufgezeichnet; allein der vierte Beobachtungslauf hat den Katalog erheblich erweitert.
Gravitationswellensignale, die vom LIGO Hanford-Detektor mit fast zehn Jahren Abstand aufgezeichnet wurden. (LIGO/J. Tissino (GSSI)/R. Hurt (Caltech-IPAC))
Prüfung von Hawkings Flächensatz mit GW250114
Das neu angekündigte GW250114 stammt von einer Verschmelzung eines binären Schwarzes-Loch-Systems, dessen Massen und Spins denen in GW150914 stark ähneln. Der Unterschied liegt im Signal-Rausch-Verhältnis: GW250114 ist etwa viermal "lauter", was präzisere Parameterbestimmungen erlaubt. Die LVK-Analyse trennte die Messungen der beiden Vorläufer-Schwarzen Löcher und des resultierenden Überrestschwarzen Lochs und verglich dann die entsprechenden Ereignishorizontflächen.
Diese Messung testet direkt Hawkings zweite Gesetz der Schwarzen-Loch-Mechanik, allgemein als Flächensatz bekannt. Vor mehr als fünfzig Jahren entwickelten Stephen Hawking und Jacob Bekenstein ein thermodynamisches Bild von Schwarzen Löchern: Bekenstein setzte die Ereignishorizontfläche eines Schwarzen Lochs mit Entropie in Beziehung, und Hawking zeigte, dass die Fläche in klassischen Prozessen nicht abnehmen kann. Indem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Masse und Spin vor und nach einer Verschmelzung messen — die beiden Größen, die die Horizontfläche bestimmen — können sie überprüfen, ob die finale Horizontfläche mindestens so groß ist wie die Summe der Anfangsflächen.
Diese Simulation zeigt die Gravitationswellen, die von zwei einander umkreisenden Schwarzen Löchern erzeugt werden.
Die Daten von GW250114 stimmen außergewöhnlich gut mit theoretischen Wellenformmodellen überein. Das LVK-Team berichtet, dass die abgeleitete finale Horizontfläche mit — und größer als — den kombinierten Flächen der anfänglichen Schwarzen Löcher übereinstimmt und damit die bislang strengste Bestätigung von Hawkings Flächensatz liefert.
Folgen für die fundamentale Physik und künftige Suchen
Das Ergebnis stärkt die thermodynamische Deutung von Schwarzen Löchern und stützt die klassische allgemeine Relativitätstheorie im starken Feld und dynamischen Regime. Da die Horizontfläche mit Entropie verknüpft ist, steht der Befund auch im Einklang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, wenn Schwarze Löcher wechselwirken.
An der Detektion waren Teams aus aller Welt beteiligt, darunter auch australische Forschende vom ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav). Die verbesserte Empfindlichkeit der Detektoren ist entscheidend: klarere Signale ermöglichen Tests exotischer Hypothesen zu Quantengravitation, modifizierter Gravitation und möglichen Signalen von Dunkler Materie, die mit kompakten Objekten wechselwirkt.
Das beobachtete Gravitationswellenereignis GW250114 (LVK 2025). Die gemessenen Daten sind hellgrau dargestellt. Die geglättete blaue Kurve repräsentiert die besten theoretischen Wellenformmodelle und zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit dem beobachteten Signal. (LIGO, Virgo and KAGRA collaboration)
Experteneinschätzung
Dr. Elena Marquez, Astrophysikerin (fiktiv), kommentiert: "GW250114 ist ein Meilenstein, weil es uns erlaubt, Anfangs- und Endzustände von Schwarzen Löchern mit einer Präzision zu vergleichen, die vor zehn Jahren nicht erreichbar war. Die Bestätigung des Flächensatzes in einer beobachtenden Umgebung schließt eine langjährige Lücke zwischen Theorie und Messung und bereitet den Boden für Tests quantenkorrigierter Modelle der Schwarzen-Loch-Entropie."
Mit Blick nach vorn werden fortgesetzte Detektorverbesserungen und geplante Observatorien der nächsten Generation den Katalog hochqualitativer Ereignisse erweitern. Jede neue, starke Verschmelzung ist eine Gelegenheit, die Gravitation zu prüfen, die Thermodynamik von Schwarzen Löchern zu erforschen und nach Abweichungen zu suchen, die auf neue Physik hinweisen könnten — einschließlich Einschränkungen für Kandidaten der Dunklen Materie oder Einblicke in quantenmechanische Aspekte von Horizonte.
Fazit
GW250114 liefert die bisher klarste beobachtende Bestätigung, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern Hawkings Flächensatz erfüllen: Die Horizontfläche nach einer Kollision ist nicht kleiner als die kombinierte Fläche davor. Dieses Ergebnis stärkt die Verbindung zwischen Schwarze-Loch-Mechanik und Thermodynamik, bestätigt die allgemeine Relativität in extremen Situationen und zeigt, wie verbesserte Empfindlichkeit bei Gravitationswellendetektoren neue Einblicke in die fundamentale Physik eröffnet.
Quelle: sciencealert
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