Untersuchung elektromagnetischer Beiträge zur Dynamik von Schwarzen Löchern, ein Multi-Signal-Ansatz
Kurz gesagt: Schwarze Löcher könnten bei Verschmelzungen kurzzeitig geladen sein und so Signale senden, die Gravitationswellen allein nicht zeigen. Der Vorschlag ist, elektromagnetische Signaturen zusammen mit Gravitationswellen-Ereignissen systematisch zu analysieren. Am Ende stehen Forscher, Institute und Literatur, die genau an diesem Multi-Messenger-Ansatz arbeiten.
Untersuchung elektromagnetischer Beiträge zur Dynamik von Schwarzen Löchern, ein Multi-Signal-Ansatz
Die Gravitationswellen, die wir heute von verschmelzenden Schwarzen Löchern messen, zeigen eine komplexe Dynamik auf ihren Umlaufbahnen, und das passt zur allgemeinen Relativitätstheorie, aber vielleicht ist das nur ein Teil der Geschichte.
Das Muster aus Inspiral, Merger und Ringdown sieht elektromagnetischen Feldinteraktionen verblüffend ähnlich, und deshalb sollten wir uns anschauen, ob elektromagnetische Effekte zu diesen Systemen viel beitragen.
Die Hypothese
Die Hypothese ist, dass Schwarze Löcher, die im stationären Zustand als elektromagnetisch neutral gelten, während dynamischer Ereignisse eine kurzzeitige oder übrig gebliebene Ladung tragen könnten. So eine Ladung könnte die Verschmelzung auf eine Art beeinflussen, die reine Gravitationsmodelle nur zum Teil erfassen, und die elektromagnetische Strahlung von diesen Ereignissen könnte Informationen über die Schwarzen Löcher tragen, die in den Gravitationswellen allein fehlen.
Dafür gibt es drei Gründe. Der erste ist die Information. So wie Schallwellen über Frequenz, Amplitude und Phase viel über ihre Quelle verraten, könnten elektromagnetische Wellen aus der Umgebung Schwarzer Löcher etwas über Struktur und Dynamik erzählen, das Gravitationswellen-Detektoren gar nicht sehen. Der zweite ist die Kopplung verschiedener Physik, denn in extremen Gravitationsfeldern könnten die Krümmung der Raumzeit und elektromagnetische Felder über nichtlineare Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie so zusammenwirken, dass Signaturen entstehen, die man beobachten kann und die von den reinen Gravitationsvorhersagen abweichen. Der dritte sind die Lücken in der Beobachtung. Die aktuellen Modelle gehen von elektromagnetischer Neutralität aus, aber eine kurzzeitige Aufladung bei der Akkretion oder bei der Verschmelzung könnte elektromagnetische Gegenstücke erzeugen, die man messen kann und die das ergänzen, was die Gravitationswellen zeigen.
Der Vorschlag
Wir schlagen deshalb vor, die elektromagnetischen Signaturen, die zur gleichen Zeit wie Gravitationswellen-Ereignisse auftreten, systematisch zu analysieren, gekoppelte gravito-elektromagnetische Modelle für die Verschmelzung zu entwickeln und nach Zusammenhängen zwischen elektromagnetischen Spektralmerkmalen und den abgeleiteten Parametern der Schwarzen Löcher zu suchen.
Dahinter steht die Idee, dass man komplexe Systeme oft erst mit Multi-Messenger-Beobachtungen ganz versteht, und so ist auch die Astronomie vorangekommen, durch die Kombination aus optischen, Radio- und Röntgenbeobachtungen.
Warum Multi-Messenger
An diesen Multi-Messenger-Ansatz glaube ich auch. Er erweitert unser Verständnis des Universums, weil er verschiedene Informationsträger gleichzeitig analysiert, und statt sich auf eine Art von Signal zu verlassen, kombiniert man Gravitationswellen, elektromagnetische Strahlung, Neutrinos und kosmische Strahlung. Jeder dieser Boten könnte etwas Eigenes über dasselbe Ereignis im All erzählen.
Bei Schwarzen Löchern heißt das, dass die Gravitationswellen uns Hinweise auf die Massen und die Rotationsgeschwindigkeiten geben, dass die elektromagnetischen Signale Ladungszustände und Magnetfeldstrukturen zeigen könnten und die Röntgenstrahlung vielleicht die unmittelbare Umgebung. Das ist wie in einem Orchester, wo jedes Instrument eine andere Stimme zum Ganzen beiträgt, und so könnte jeder Bote ein Puzzleteil zum Gesamtbild liefern.
Wer daran forscht
Es gibt Wissenschaftler, die genau dazu forschen. Kip Thorne am Caltech ist Nobelpreisträger und LIGO-Pionier und sehr offen für neue Theorien. Alessandra Buonanno am Max-Planck-Institut Potsdam ist weltweit führend in der Modellierung von Gravitationswellen, und Luis Lehner am Perimeter Institute ist Spezialist für elektromagnetische Effekte in extremen Gravitationsfeldern. Vasileios Paschalidis an der University of Arizona forscht an magneto-hydrodynamischen Kopplungen, Luciano Rezzolla an der Goethe-Universität Frankfurt ist Experte für Multi-Messenger-Astronomie und Sheperd Doeleman an der Harvard University leitet das Event Horizon Telescope.
Als Institutionen dafür empfehle ich das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, die LIGO Scientific Collaboration, das Perimeter Institute in Kanada und das European Gravitational Observatory in Italien.
Zum Weiterlesen gibt es Multi-messenger Astrophysics with Gravitational Waves in der Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Electromagnetic Counterparts of Gravitational Wave Sources in Nature Reviews Physics und Charged Black Holes in Modified Gravity in Physical Review D, und aktuelle Arbeiten findet man im Archiv von arXiv.org in den Kategorien gr-qc für General Relativity und astro-ph.HE für High Energy Astrophysical Phenomena.