Computersimulation von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern, die Gravitationswellen erzeugen. Wenn die neueste Datenanalyse von NASAs Fermi korrekt ist, werden möglicherweise nicht einfach Gravitationswellen erzeugt. Bildnachweis: Werner Benger.

Schwarzes Loch-Fusionen können tatsächlich Gammastrahlen-Ausbrüche hervorrufen

Es geht nicht mehr nur darum, Neutronensterne zu verschmelzen.

In den letzten drei Jahren gab es wohl keine größere wissenschaftliche Entdeckung als die direkte Detektion von Gravitationswellen. Zu den beiden LIGO-Detektoren in Hanford, WA, und Livingston, LA, gesellte sich im vergangenen Jahr der Virgo-Detektor in Italien. Zusammen können die drei Detektoren Gravitationswellenquellen mit beispielloser Präzision lokalisieren, wobei die Detektionen im August auf wenige Quadratgrade genau am Himmel ausgerichtet sind. Die Entdeckung eines elektromagnetischen Gegenstücks zur ersten Neutronenstern-Neutronenstern-Fusion war aufregend und zu erwarten. Dabei zeigte sich, dass sie tatsächlich Gammastrahlen-Bursts erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt haben wir auch fünf Schwarzloch-Schwarzloch-Fusionen gesehen, die nach konventioneller Theorie kein elektromagnetisches Gegenstück haben sollten. Aber das massereichste Paar aus Schwarzem Loch und Schwarzem Loch, das sich verschmolzen hat, könnte zufällig das allererste gewesen sein, das jemals entdeckt wurde. Nach einer überarbeiteten Analyse des NASA-Fermi-Teams könnte eine kosmische Revolution bevorstehen.

Die fünf von LIGO (und Virgo) entdeckten Fusionen zwischen Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern sowie ein sechstes, nicht ausreichend signifikantes Signal. Nur das allererste zeigte Hinweise auf eine Gammastrahlungstransiente, aber dieses Signal kann tatsächlich etwas Reales darstellen. Bildnachweis: LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet).

Am 14. September 2015 erreichten die Wellen zweier sich verschmelzender Schwarzer Löcher eines noch nie dagewesenen Massenbereichs von 29 bzw. 36 Sonnenmassen nach einer Reise von über einer Milliarde Lichtjahren die Erde. Das Signal, das in den beiden LIGO-Detektoren nur Millisekunden voneinander entfernt auftrat, wurde zur ersten robusten, direkten Erfassung von Gravitationswellen und bestätigte Einsteins monumentalste Theorie auf eine weitere neue Art und Weise. Draußen im Weltraum überwachten zwei Satellitenmissionen gleichzeitig den Himmel auf etwaige Phänomene mit ultrahoher Energie. Einerseits gab es den Integral-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der Gammastrahlen über einer bestimmten Energie-Schwelle messen kann. Auf der anderen Seite misst der NASA-Satellit Fermi auch Gammastrahlen, allerdings mit einem in enge Bereiche aufgeteilten Energiebereich. Was jedes Team sah, würde einen Feuersturm öffentlicher Debatten auslösen.

Dieses Bild wurde im Mai 2008 aufgenommen, als das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop für den Start vorbereitet wurde. Es zeigt die Detektoren seines Gammastrahlen-Burst-Monitors (GBM). Das GBM ist eine Anordnung von 14 Kristalldetektoren. Bildnachweis: NASA / Jim Grossmann.

Das Fermi-Team machte sofort eine Ankündigung, die den Kopf verdrehte: Sie behaupteten, Beweise für ein schwaches transientes Signal zu haben, ein Typ, der einige Male täglich auftritt und nur 0,4 Sekunden vom Eintreffen des Gravitationswellensignals abweicht. Das Signal war stark genug (6σ), um anzuzeigen, dass etwas Reales vorhanden war, basierend auf dem Signal-Rausch-Verhältnis allein, obwohl es für einen Gammastrahlen-Burst relativ schwach war, was normalerweise ein ~ 20σ-Ereignis ist. Wenn jedoch alle anderen Effekte der Zeitsequenz betrachtet werden, behauptet das Team nur eine 2,9σ-Signifikanz, dass ein solches Signal dann auftreten würde, und unterschreitet deutlich die 5σ, die für eine robuste Detektion erforderlich sind.

Dennoch schien das Signal zu überzeugen, was zu einer wohlbegründeten Aufregung führte. Aufgrund der damaligen Ausrichtung des Fermi-Detektors konnte die Quelle nicht besonders gut lokalisiert werden. (Da zu dieser Zeit nur die beiden LIGO-Detektoren in Betrieb waren, war die Lokalisierung durch Gravitationswellen ebenfalls sehr schlecht.) Das Integral-Team sah jedoch nicht nur keine Anzeichen für ein Signal jeglicher Art, sondern auch Mitglieder eines separaten Teams - einschließlich ehemaliger Fermi-Teammitglieder - behauptete, die Fermi-Analyse sei durchdrungen von schlechter Wissenschaft. Der Einsatz für dieses Argument ist unglaublich hoch, und die Daten der beiden Detektoren mussten abgeglichen werden.

Abbildung von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern, deren Masse mit der von LIGO vergleichbar ist. Die Erwartung ist, dass ein elektromagnetisches Signal, das von einem solchen Zusammenschluss ausgeht, nur sehr wenig beeinträchtigt werden sollte, aber das Vorhandensein von stark erhitzter Materie, die diese Objekte umgibt, könnte dies ändern. zukünftige Beobachtungen können uns mehr lehren. Bildnachweis: SXS, das Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) -Projekt (http://www.black-holes.org).

Wenn es ein Gammastrahlensignal gibt, das mit Schwarzloch-Schwarzloch-Fusionen verbunden ist, läutet dies eine Revolution in der Physik ein. Schwarze Löcher können Akkretionsscheiben aufweisen und häufig von infallierender Materie umgeben sein, die vom interstellaren Medium angesaugt wird. Im Fall von binären Schwarzen Löchern kann es auch Überreste von Planeten und Vorläufersternen geben, die herumschweben, sowie das Potenzial, in einer chaotischen, sternbildenden Region untergebracht zu werden. Die zentralen Schwarzen Löcher selbst können jedoch keine Strahlung aussenden. Wenn etwas von ihrem Standort ausgestrahlt wird, muss es an der beschleunigten Materie liegen, die sie umgibt. In Abwesenheit von Magnetfeldern, die der Stärke von Neutronensternen nahekommen, ist unklar, wie ein derartiger energetischer Stoß erzeugt werden könnte.

Auch wenn Schwarze Löcher mit Akkretionsscheiben versehen sein sollten und Materie aus ihnen herausfallen sollte, sollte es nicht ausreichen, Materie oder Material zu erzeugen, um einen Gammastrahlen-Transienten zu erzeugen. Ist unsere Theorie einfach falsch? Bildnachweis: NASA / Dana Berry (Skyworks Digital).

Nur weil wir nicht verstehen, wie etwas passieren kann, heißt das nicht, dass es unmöglich ist. In der Physik wie in allen Wissenschaften sind Experimente, Messungen und Beobachtungen der ultimative Schiedsrichter der Realität. Wenn eine Theorie nicht vorhersagt, welche Phänomene beobachtet werden, ist dies das theoretische Problem, und die Wissenschaft muss daran arbeiten, unser Bild davon, wie die Realität mit der Natur selbst übereinstimmt, in Einklang zu bringen. Wenn das Fermi-Ergebnis real ist, wäre es revolutionär. Aber wenn das Integral-Team korrekt ist - und die Analyse des Fermi-Teams falsch ist - wird dies einfach zu einem weiteren alltäglichen „Fehlalarm“, der mit mehr Daten verschwindet. Zum Glück haben die beiden getrennten Teams miteinander gesprochen, und beide sind sich jetzt einig, dass es gute Gründe für Fermi und Integral gibt, zu sehen, was sie gesehen haben.

Lokalisierung in äquatorialen Koordinaten von GW150914 durch LIGO (farbiger Bogen) und von GW150914-GBM durch GBM (1, 2, 3 σ-Konturen in schwarzer, rötlicher Schattierung mit Wahrscheinlichkeitsgradient). Bildnachweis: V. Connaughton et al., ApJ, 853, L1 (2018).

Die Möglichkeit einer astrophysikalischen Revolution allein hätte ausgereicht, um diesen Vorschlag näher zu untersuchen. In einer neuen Veröffentlichung, die vor wenigen Wochen veröffentlicht wurde, veröffentlichte das Fermi-Team die neuesten Ergebnisse einer umfassenden Analyse der gesamten Datenreihe. Dabei wurden sowohl die eigenen Methoden als auch die zuvor von Mitgliedern des unabhängigen Teams bevorzugten Methoden verwendet. Wie die neue Analyse zeigt, ist die Verwendung einer einzelnen Detektoranpassung eine sehr schlechte Methode, um das Signal zu verbessern. Die Schwankungen sind im Allgemeinen zu groß. Tatsächlich ist eine größere Schwankung als die interessierende nur 5 Sekunden nach der Tatsache zu sehen.

Abhängig davon, mit welchem ​​Verfahren Sie Ihre Daten analysieren und interpretieren, können Sie, wie ein unabhängiges Team im Jahr 2016, entweder ein unbedeutendes Signal über dem Hintergrund (Gold) oder ein Signal erhalten, das auf der 3-Sigma-Ebene (Lila) von Bedeutung ist. wie das Fermi-Team. Das neueste Papier bestätigt die Methodik des Fermi-Teams. Bildnachweis: V. Connaughton et al., ApJ, 853, L1 (2018).

Die Lösung? Wie in diesem neuesten Artikel gezeigt, können mehrere Kanäle und mehrere Instrumente gleichzeitig erkannt werden. Das Hauptinstrument, das dieses Signal an Bord von Integral sehen kann, SPI-ACS (ein Spektrometer mit einem Anti-Koinzidenz-Schild), hat nur einen einzigen Kanal, der alle Photonen zusammenaddiert. Es ist weit weniger empfindlich gegenüber Schwankungen, die nur in einem bestimmten Energiebereich auftreten. In technischer Hinsicht hat es einen hohen Geräuschpegel. Wenn Sie versuchen, über einen Zeitraum von 100 Millisekunden weitere zehn Photonen zu erkennen, ist es ein großer Unterschied, ob Ihr Grundrauschen über diesen Zeitraum 100 Photonen beträgt, im Vergleich zu 10.000. Fermi tastet jedoch mehrere Kanäle gleichzeitig sowie in mehreren Instrumenten ab.

Eine robuste Analyse zeigt, dass die "5-Sekunden-nach" -Fluktuation nur eine Fluktuation ist, die in den anderen Instrumenten nicht auftritt, während diejenige, die 0,4 Sekunden nach dem Gravitationswellensignal auftritt, tatsächlich vorhanden ist. Der violette Balken stellt die Signifikanz des Signals in allen Kanälen zusammen dar: Eine Erkennung, bei der nur eine 1: 500-Chance besteht, dass sie eine statistische Schwankung darstellt.

Gammastrahlenzählraten nach dem Ereignis, das Fermi gesehen hat. Diese Zahl stammt aus der ursprünglichen Veröffentlichung von 2016, in der die Erkennung eines transienten Signals behauptet wird. Eine erneute Analyse der Daten zeigt, dass die darin präsentierten ursprünglichen Ergebnisse sehr gut stimmen. Dies ist keine todsichere Entdeckung, aber es ist ein faszinierendes Ereignis, das weitere Aufmerksamkeit verdient. Bildnachweis: Connaughton, V., Burns, E., Goldstein, A., et al. 2016, ApJ, 826, L6.

Trotzdem sind statistische Schwankungen immer noch häufig! Die anderen vier Schwarzloch-Schwarzloch-Fusionen zeigten kein solches Signal, und viele - vielleicht sogar die vielversprechendsten - Signale, die auf dem Signifikanzniveau von ~ 3σ erscheinen, erweisen sich eher als diese seltenen Schwankungen als als Anzeichen eines tatsächlichen physikalischen Signals. Wenn Sie die Grenzen der Physik erforschen, müssen Sie unbedingt sicherstellen, dass Sie sich nichts vormachen. Deshalb ist 5σ in der Experimental- und Beobachtungsphysik der Goldstandard.

Alles in allem, was bedeutet das? Dies bedeutet, dass der Fermi-Satellit tatsächlich einen Hinweis auf ein kurzlebiges, transientes Gammastrahlensignal zuverlässig detektierte, das mit dem Auftreten am selben Ort wie das Gravitationswellensignal übereinstimmt. Wenn Sie die Signale aller Detektoren kombinieren, sehen Sie hier den eingeschränkten Bereich, in dem sie aufgetreten sein könnten.

Die Korrelation dieses Ereignisses mit der Gravitationswellenfusion ist jedoch keineswegs sicher. Wenn es real ist, können wir folgendes erwarten:

  • Gammastrahlensignale sind nicht mit allen Zusammenschlüssen von Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern assoziiert.
  • das Signal ist im Vergleich zu Neutronenstern-Neutronenstern-Fusionen sehr schwach,
  • Das Signal wird bei bestimmten Energien ankommen und nicht im gesamten Spektrum.
  • und es werden noch viele weitere Erkennungen erforderlich sein, um herauszufinden, ob und in welchem ​​Ausmaß Gammastrahlen von diesen kosmischen Kataklysmen erzeugt werden.
Es gibt viele Ereignisse im Universum, die die Emission von Hochenergie-Bursts verursachen. Könnten Fusionen zwischen Schwarzen und Schwarzen Löchern einer von ihnen sein? Die neuesten, erneut analysierten Ergebnisse von Fermi lassen darauf schließen, dass wir besser darauf achten, weiterzusehen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA.

Mit drei Gravitationswellendetektoren, die nach Abschluss der aktuellen Upgrades mit verbesserter Empfindlichkeit arbeiten, können wir nicht nur die Masse und die Drehungen von Schwarzloch-Schwarzloch-Fusionen messen, sondern auch deren Position und Neigungswinkel. Wenn diese Fusionen tatsächlich Gammastrahlen aussenden, können wir die Abhängigkeit der Gammastrahlen von diesen Parametern ermitteln. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass dies zu diesem Zeitpunkt mehr als eine unwahrscheinliche Schwankung ist, aber es handelt sich nicht nur um ein Artefakt einer schlechten Datenanalyse, wie dies bereits von vielen behauptet wurde, auch von Ihnen. Fusionen von Schwarzen Löchern und Schwarzen Löchern können schließlich Gammastrahlen erzeugen. Zeigt das suggestive Signal ein reales, überraschendes, physikalisches Phänomen an? Es werden mehr Daten, bessere Daten und eine große und abwechslungsreiche Reihe von Ereignissen benötigt, um die Frage mit Sicherheit zu beantworten. Das ist es aber, was wir wollen. Das ist es, worum es in der Wissenschaft wirklich geht.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.