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Zukünftige Gravitationswellendetektoren zur Erkennung von Millionen schwarzer Löcher und der Entwicklung des Universums

Zwei schwarze Löcher kollidieren

Der künstlerische Eindruck zweier schwarzer Löcher, die kurz vor der Kollision und Verschmelzung stehen.

Die Gravitationswellenastronomie bietet eine einzigartige neue Möglichkeit, die Expansionsgeschichte des Universums zu untersuchen. Am 17. August 2017 wurde die LIGO und Jungfrau Kollaborationen zuerst erkannt Gravitationswellen von einem Paar Neutronentreppen, die verschmelzen. Das Gravitationswellensignal wurde von einer Reihe von Gegenstücken begleitet, die mit elektromagnetischen Teleskopen identifiziert wurden. Diese Multi-Messenger-Entdeckung ermöglichte es Astronomen, die Hubble-Konstante direkt zu messen, was uns sagt, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Eine kürzlich vom ARC-Kompetenzzentrum für Gravitationswellenentdeckung (OzGrav) durchgeführte Studie unter der Leitung der Forscher Zhiqiang You und Xingjiang Zhu untersuchte einen alternativen Weg zur Kosmologie mit Gravitationswellenbeobachtungen.

Im Vergleich zu Neutronenstern Fusionen, schwarzes Loch Fusionen sind viel häufiger Quellen von Gravitationswellen. Während bisher nur zwei Neutronenstern-Fusionen entdeckt wurden, haben LIGO- und Virgo-Kollaborationen 10 binäre Black-Hole-Fusionsereignisse veröffentlicht und Dutzende weitere Kandidaten wurden gemeldet.

Leider wird bei Fusionen von Schwarzen Löchern keine elektromagnetische Emission erwartet. Die theoretische Modellierung von Supernovae – mächtige und leuchtende Sternexplosionen – legt nahe, dass es eine Lücke in der Masse der Schwarzen Löcher gibt, die etwa das 45- bis 60-fache der Masse unserer Sonne beträgt. Einige nicht schlüssige Beweise, die diese Massenlücke stützen, wurden in Beobachtungen gefunden, die in den ersten beiden Beobachtungsläufen von LIGO und Virgo gemacht wurden. Die neue OzGrav-Studie zeigt, dass dieses einzigartige Merkmal im Massenspektrum des Schwarzen Lochs dazu beitragen kann, die Expansionsgeschichte unseres Universums allein anhand von Gravitationswellendaten zu bestimmen.

Der Doktorand und Erstautor von OzGrav, Zhiqiang You, sagt: „Unsere Arbeit untersuchte die Aussicht mit Gravitationswellendetektoren der dritten Generation, mit denen wir jede Fusion von binären Schwarzen Löchern im Universum sehen können.“

Abgesehen von der Hubble-Konstante – einer Einheit, die beschreibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt – gibt es andere Faktoren, die die Verteilung der Massen von Schwarzen Löchern beeinflussen können. Zum Beispiel sind Wissenschaftler immer noch unsicher, wo genau sich die Massenlücke des Schwarzen Lochs befindet und wie sich die Anzahl der Fusionen von Schwarzen Löchern im Laufe der kosmischen Geschichte entwickelt. Die neue Studie zeigt, dass es möglich ist, gleichzeitig Schwarzlochmassen zusammen mit der Hubble-Konstante zu messen. Es wurde festgestellt, dass ein Detektor der dritten Generation wie das Einstein-Teleskop oder der Cosmic Explorer die Hubble-Konstante innerhalb eines Jahresbetriebs auf besser als ein Prozent messen sollte. Darüber hinaus ergab die Studie mit nur einwöchiger Beobachtung, dass es möglich ist, die Standardkosmologie der Dunklen Energie-Dunklen Materie mit ihren einfachen Alternativen zu unterscheiden.

Referenz: „Standardsirenen-Kosmologie unter Verwendung von Gravitationswellen aus binären Schwarzen Löchern“ von Zhi-Qiang You, Xing-Jiang Zhu, Gregory Ashton, Eric Thrane und Zong-Hong Zhu, 31. März 2020, Kosmologie und nichtalaktische Astrophysik.
arXiv: 2004.00036