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Mit Spielkonsolen auf Einsteins Spuren

Nach Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie geben alle beschleunigten Massen Gravitationswellen ab, die die Raum-Zeit-Struktur verbiegen. Das Problem: Gravitationswellen konnten noch nie direkt nachgewiesen werden. Bonner Forscher vom Argelander-Institut für Astronomie geben nun wertvolle Hinweise, auf welche Energiequellen im All sich Astronomen konzentrieren können: Schwarze Löcher, die in Sternhaufen dicht um einander kreisen, bringen ihren Simulationen zu Folge das All so richtig zum Schwingen. Die Studienergebnisse sind in der Zeitschrift “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (MNRAS) erschienen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass beschleunigte Massen in der Raumzeit Störungen erzeugen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit wellenartig ausbreiten: Gravitationswellen. Alle im Raum befindlichen Objekte werden bei dieser Wellenbewegung rhythmisch gestaucht und gestreckt. Um Einsteins Vorhersage experimentell nachzuweisen und weitere Einblicke ins All zu erhalten, installieren Astronomen derzeit ein weltweites Netzwerk aus Gravitationswellendetektoren.

Die “Kräuselungen” der Raumzeit zu finden, ist aber extrem schwierig. Denn wenn die Wellen von unvorstellbar weit entfernten energiereichen Quellen die Erde erreichen, sind sie extrem schwach. Ein ein Kilometer langes Objekt auf der Erde würde beispielsweise seine Länge nur um weniger als den Durchmesser eines Protons verändern.

Theoretiker rechnen es den Praktikern vor
Damit der experimentelle “Wellenfang” überhaupt eine Chance auf Erfolg hat, helfen die Theoretiker unter den Astronomen nach. Sie versuchen, mit Hilfe von Simulationen Quellen im All zu identifizieren, die als “Sender” von Gravitationswellen in Frage kommen. Dem Team um Professor Dr. Pavel Kroupa vom Argelander-Institut der Universität Bonn ist es nun gelungen, besonders aussichtsreiche Kandidaten zu ermitteln. Dr. Sambaran Banerjee und Dr. Holger Baumgardt nutzten für ihre Berechnungen so genannte GPUs.

Diese “Graphical Processing Units” sind ursprünglich für graphische Darstellungen von Computerspielen entwickelt worden. Sie berechnen Simulationen mehrere Hundert mal schneller als normale Prozessoren und sind zudem viel kostengünstiger als herkömmliche Supercomputer. Mit diesen leistungsfähigen Hilfsmitteln haben die Forscher die dynamischen Prozesse in Sternhaufen, die normalerweise Millionen Jahre dauern, am Computer durchlaufen lassen. “Wir haben die Bewegung von jedem einzelnen Stern in einem Sternhaufen und die Gravitationskräfte aller Sterne in unsere Rechnung mit einbezogen”, erläutert der Humboldt-Stipendiat Sambaran Banjeree.

Viel häufiger als angenommen, entwickelten sich in den Sternhaufen demnach irgendwann Doppelsterne aus zwei schwarzen Löchern. “Unsere Berechnungen zeigen, dass diese umeinander kreisenden schwarzen Löcher die dominierenden Quellen für Gravitationswellen sind”, sagt Pavel Kroupa. Diese Erkenntnis werde für die zukünftige Arbeit an den Detektoren sehr hilfreich sein.

Nicht jeder Stern endet in einem schwarzen Loch
In einem sehr jungen Sternhaufen ähneln sich die stellaren Objekte zunächst. Nach dynamischen Prozessen im Laufe von etwa 100 Millionen Jahren ergibt sich dann aber ein ganzes Spektrum exotischerer Objekte. Ein Stern verbrennt im Laufe seiner Entwicklung große Mengen Wasserstoff zu Helium. Wenn irgendwann der Brennstoff aufgebraucht ist, gibt es eine gewaltige Explosion – eine Supernova. “Von der Masse des Sterns hängt die weitere Entwicklung ab”, erklärt Heisenberg-Stipendiat Holger Baumgardt. Aus weniger massiven Sternen – etwa wie die Sonne – entstehen so genannte weiße Zwerge. Sterne mit acht bis 20 Sternenmassen entwickeln sich zu Neutronensternen. Nur die ganz schweren Sterne werden zu schwarzen Löchern.

Besonders schwere Objekte in einem Sternhaufen fallen immer ins Zentrum, sammeln sich dort und interagieren miteinander. Die Wahrscheinlichkeit ist daher hoch, dass sich dort zwei schwarze Löcher finden und gegenseitig umkreisen. Die enorme Energiemenge, die bei diesem Tanz verloren geht, äußert sich in Form von extrem starken Gravitationswellen – Wellen, die vielleicht bald auf der Erde nachgewiesen werden können. (Uni Bonn)