Ein internationales Team unter der Leitung des Instituts für Hochenergiephysik (IGFAE) der Universität Santiago de Compostela in Spanien hat erstmals gemeinsam die „Rückstoß“-Geschwindigkeit und -Richtung von Schwarzen Löchern nach ihrer Verschmelzung gemessen. Dieses Ergebnis wurde in Nature Astronomy veröffentlicht. Untersuchungen zeigen, dass Gravitationswellen nicht nur Energie, sondern auch Impuls transportieren, was dem endgültigen Schwarzen Loch nach der Verschmelzung der Schwarzen Löcher einen „Kick-off“-Rückstoß verleiht, der es ihm ermöglicht, sich mit beträchtlicher Geschwindigkeit durch das Universum zu bewegen.

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie von 1916 vorhergesagt hat. Wenn extrem dichte und massereiche Himmelskörper wie Schwarze Löcher heftig zusammenstoßen, werden solche Schwankungen angeregt und breiten sich in alle Richtungen des Universums aus. Da Gravitationswellen die Energie und den Impuls des Systems transportieren, wird das resultierende Schwarze Loch, sobald die Wellenstrahlung nicht vollständig symmetrisch in der räumlichen Verteilung ist, unter dem „unausgeglichenen“ Schub zurückweichen, der auch anschaulich als „Das Schwarze Loch wurde getreten“ bezeichnet wird. Die Stärke des Rückstoßes hängt eng mit der Masse und dem Spin der beiden ursprünglichen Schwarzen Löcher zusammen, während die Richtung des Rückstoßes von der geometrischen Konfiguration des gesamten Systems im Raum abhängt.

Bisher konnten Wissenschaftler aus Gravitationswellensignalen vor allem einige wenige geometrische Parameter wie die Bahnneigung messen. Ein weiterer Schlüsselwinkel, der Azimutwinkel, war schwer genau zu bestimmen. Dieses Forschungsteam fand heraus, dass die „Moden höherer Ordnung“ in Gravitationswellen bisher schwer lesbare geometrische Informationen enthalten, mit denen sich dieser fehlende Winkel wiederherstellen und die dreidimensionale Richtung des Rückstoßes berechnen lässt.

Als Probe zur Verifizierung der Methode nutzten die Forscher das Gravitationswellenereignis GW190412, das 2019 von den Observatorien Advanced LIGO und Virgo gemeinsam entdeckt wurde. In diesem Fall sind die Massen der beiden Schwarzen Löcher offensichtlich nicht gleich, sodass sie im Signal deutlich erkennbare Moden höherer Ordnung aufweisen, was sich sehr gut für eine Feinanalyse eignet. Durch genaue numerische Simulationen auf der Grundlage von Einsteins Gleichungen berechnete das Team, dass die Rückstoßgeschwindigkeit des verschmolzenen Schwarzen Lochs 50 Kilometer pro Sekunde übersteigt, was schnell genug ist, um aus einigen dichten Sternhaufen (z. B. einigen Kugelsternhaufen) zu entkommen. Der durch statistische Analysen ermittelte Bayes-Faktor beträgt etwa 21, was einem Konfidenzniveau von etwa 95 % entspricht, was diese Schlussfolgerung stark stützt.

Bei der Bestimmung der Geschwindigkeit verglich das Team auch die Rückstoßrichtung mit Referenzrichtungen wie der Systemumlaufbahnachse und der Erdbeobachtungsrichtung. Die Ergebnisse zeigten, dass der „Kick“ weder entlang der Orbitalebene erfolgte noch direkt auf die Erde gerichtet war, sondern in einer Zwischenrichtung zwischen beiden. Professor Juan Calderon-Bustillo, einer der Projektmitglieder, zog eine Analogie: Das Gravitationswellensignal sei wie ein Orchester. Abhängig von der Position einer Person sind die zu hörenden „Instrumente“ unterschiedlich, und dieser „Klangfarbenunterschied“ hilft Wissenschaftlern, die Bewegungsbahn des Schwarzen Lochs im dreidimensionalen Raum zu rekonstruieren. Dr. Kustav Chandra von der Pennsylvania State University wies darauf hin, dass diese Methode gleichbedeutend mit der Rekonstruktion der wahren Bewegung von Milliarden Lichtjahren entfernten Himmelskörpern sei, indem nur „Wellen“ in Raum und Zeit verwendet würden.

Der Autor sagte, dass solche präzisen Rückstoßmessungen besonders wichtig für die Untersuchung von Verschmelzungen Schwarzer Löcher seien, die in besonderen Umgebungen auftreten. Beispielsweise können in aktiven Galaxienkernen mit Akkretionsscheiben Verschmelzungen von Schwarzen Löchern von Signalen wie sichtbarem Licht und elektromagnetischer Strahlung begleitet sein. Ob wir diese Blitze beobachten können, hängt weitgehend von der relativen geometrischen Beziehung zwischen der Rückstoßrichtung und der Erde ab. Daher kann die Kenntnis der Rückstoßrichtung den Astronomen helfen zu beurteilen, ob ein bestimmtes Gravitationswellenereignis und ein elektromagnetischer Ausbruch tatsächlich von demselben kosmischen Ereignis herrühren oder ob es sich nur um einen zeitlichen Zufall handelt.

Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass diese Arbeit ein Zeichen dafür ist, dass die Gravitationswellenastronomie allmählich aus der Phase, in der nur Hörverschmelzungen stattfinden, herauskommt und in eine neue Phase eintritt, in der die räumliche Struktur und die dynamischen Prozesse von Ereignissen akribisch abgebildet werden können. In Zukunft wird die gleichzeitige Messung der Rückstoßgeschwindigkeit und -richtung von Schwarzen Löchern mit zunehmender Detektorempfindlichkeit und zunehmender Ereignisanzahl zu einer Routinemethode werden und der wissenschaftlichen Gemeinschaft dabei helfen, besser zu verstehen, wie Schwarze Löcher im Universum wachsen und wandern und die Entwicklung von Galaxien und großräumigen Strukturen beeinflussen.