Schwarze Löcher erklärt von der Frau, die Einsteins Gravitationswellen entdeckte

Eine Computersimulation, die die Kollision zweier schwarzer Löcher in mehr als einer Milliarde Lichtjahren Entfernung zeigt. Bild: REUTERS / Die SXS

Nergis Malvala

Wie können uns die Wellen einer Kollision zweier Schwarzer Löcher helfen, das Universum zu verstehen? In unserer XxXX-Interviewreihe mit zehn führenden Wissenschaftlerinnen sprach Nergis Mavalvala, Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology, mit uns über implodierende Sterne, Einsteins Gravitationswellen und die Bausteine ​​unserer Galaxie.

Ich bin Physiker und arbeite an der Detektion von Gravitationswellen, die Wellen im Gewebe der Raumzeit selbst sind. Sie wurden von Albert Einstein vor hundert Jahren in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, aber erst im vergangenen Jahr konnten wir sie beobachten.

Was ist das Besondere an Gravitationswellen?

Was Gravitationswellen so erstaunlich macht, ist, dass sie von Objekten emittiert werden, die von Natur aus dunkel sind, wie schwarze Löcher. Wir haben noch nie ein Schwarzes Loch gesehen, weil unsere Teleskope darauf ausgelegt sind, Licht zu beobachten. Wir haben noch nie zwei schwarze Löcher kollidieren sehen. Indem wir jedoch die Wellen messen, die sie bei einer Kollision aussenden, können wir Schwarze Löcher beobachten und ihren Lebenszyklus verstehen.

Eine Illustration von zwei schwarzen Löchern, die kollidieren, wobei Gravitationswellen nach außen plätschern

Bild: LIGO / T. Pyle

Wenn Sterne zusammenbrechen, verwandeln sie sich in Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Ihnen geht der Kernbrennstoff aus, der sie zum Leuchten bringt, und sie implodieren aufgrund ihrer eigenen Anziehungskraft. Unsere eigene Sonne wird das irgendwann tun. Diese Neutronensterne oder Schwarzen Löcher haben eine enorme Schwerkraft, sie sind sehr dicht. Stellen Sie sich nun zwei schwarze Löcher vor, die näher kommen, sich gegenseitig umkreisen und diesen Tanz in einer großen Kollision beenden. Sie senden Wellen aus, die wir mit unserem Detektor LIGO messen können, der für Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory steht.

Wann haben Sie zum ersten Mal eine Kollision zweier Schwarzer Löcher beobachtet?

Im September 2015 hat unser Detektor in Louisiana ein starkes Signal gemessen, das auf eine vorbeiziehende Gravitationswelle hinweist, und 7 Millisekunden später zeigte unser zweiter Detektor im Bundesstaat Washington dasselbe Signal wie die durch ihn hindurchtretende Welle. Ich erinnere mich, dass ich das Signal gesehen und Gänsehaut bekommen habe. Ich arbeite seit 25 Jahren an Gravitationswellen, und als ich zum ersten Mal von ihrer möglichen Entdeckung als Student hörte, klang das völlig verrückt - und völlig fesselnd.

Das Signal kam von zwei schwarzen Löchern, die sich gegenseitig umkreisten. Ihre jeweilige Masse war ungefähr 30-mal so groß wie die Masse unserer Sonne, aber sie hatten nur einen Durchmesser von 150 Kilometern, was für astrophysikalische Verhältnisse klein ist. Zum Vergleich: Unsere Sonne hat einen Radius von 700.000 Kilometern. Stellen Sie sich nun diese extrem massiven schwarzen Löcher vor, die fast mit Lichtgeschwindigkeit umeinander peitschen. Wenn sie kollidierten, setzten sie mehr Energie frei als alle leuchtenden Sterne im Universum emittieren. Diese Energie wurde in Form von Gravitationswellen abgegeben. Wir haben all das in den Daten gesehen, und wir haben auch gesehen, dass sich infolge der Kollision ein neues Schwarzes Loch gebildet hat.

Die Schwarzen Löcher waren 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt, also haben wir etwas beobachtet, das vor 1,3 Milliarden Jahren passiert ist.

Sind schwarze Löcher gefährlich?

Nur wenn Sie zu nahe kommen! Diejenigen, die wir beobachtet haben, sind eine Milliarde Lichtjahre entfernt. Sie stellen keine Gefahr für unser Sonnensystem dar - es gibt viele andere Dinge, über die wir uns mehr Sorgen machen sollten, vor allem menschliches Verhalten und was wir unserem Planeten antun. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Asteroid zum Beispiel auf die Erde trifft, ist im Vergleich zu dem Schaden, den wir selbst anrichten können, sehr gering.

Warum müssen wir also Schwarze Löcher verstehen?

Schwarze Löcher sind wichtige Bausteine ​​unseres Universums. Wir lernen, dass es im Zentrum jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch gibt, das eine Million oder sogar eine Milliarde Mal so groß ist wie unsere Sonnenmasse. Wir wissen nicht viel über Schwarze Löcher, aber wir leben in einer Galaxie und müssen versuchen, es zu verstehen.

Tatsächlich wurden die meisten Elemente des Periodensystems bei Explosionen von Sternen gebildet, dem gleichen Ereignis, bei dem ein Schwarzes Loch entsteht. All diese Dinge hängen zusammen und das Verstehen ist Teil der großen Fragen: Woraus bestehen wir? Woher kommen wir?

Was war die größte Herausforderung in Ihrer Forschung?

Wir haben uns drei großen Herausforderungen gestellt. Eine davon war der Bau von Detektoren, die die sehr genauen Messungen durchführen konnten, die wir benötigen. Gravitationswellen bewirken, dass sich die Raumzeit selbst ausdehnt und schrumpft. Selbst wenn diese Wellen durch dich und mich gehen, was sie die ganze Zeit tun, bewirken sie, dass wir uns dehnen und schrumpfen, aber nur um einen winzigen Betrag.

Unser LIGO-Detektor ist L-förmig und jede Seite des L ist 4 Kilometer lang. Das ist groß genug für unsere Technologie, um - kaum - die Messungen durchführen zu können. Auf dieser Skala ist die durch die Wellen verursachte Änderung tausendmal kleiner als der Kern eines Atoms. Es ist also schön, zwei Schwarze Löcher zum ersten Mal kollidieren zu sehen, aber es ist auch schön, die Präzision der Messungen zu sehen.

Eine weitere Herausforderung bestand darin, die zugrunde liegende Theorie zu lösen und zu verstehen, wie das Signal überhaupt aussehen sollte. Die dritte Herausforderung bestand darin, die Signale aus sehr verrauschten Daten zu extrahieren. Einige der Signale waren klar und stark, andere waren schwach, und wir wollten sie alle sehen.

Was sind deine nächsten Ziele?

Wir bauen immer bessere Detektoren, das ist die Richtung, in die wir gehen - mit besserer Technologie, um empfindlichere Messungen zu erhalten. Es gibt dieses ganze Universum da draußen, das darauf wartet, beobachtet zu werden.

In diesem Herbst werden wir unsere Detektoren mit verbesserter Empfindlichkeit neu starten und sechs Monate lang laufen lassen. Nach unseren Schätzungen können wir in dieser Zeit mit fünf weiteren Kollisionen mit Schwarzen Löchern rechnen.

Als Astrophysikerin haben Sie ein von Männern dominiertes Feld betreten. Sie sind auch als Teil einer religiösen Minderheit aufgewachsen, der Parsi-Gemeinde in Pakistan. Wie könnten wir Ihrer Erfahrung nach mehr Frauen und Minderheiten für die MINT-Bereiche gewinnen?

Eine Sache, die mich geprägt hat, war, dass ich in jedem Milieu, in das ich gezogen bin, ein Außenseiter war. Ich fühlte mich immer wohl, anders zu sein, und das hat meine Fähigkeit beeinflusst, am Rande des Mainstreams zu gedeihen. Als ich als eine von drei Frauen unter hundert Männern in einen Physik-Hörsaal ging, dachte ich nicht daran, weil ich es gewohnt war, der Andere zu sein. Ich habe dann auf diesem experimentellen Gebiet gearbeitet, das lange Zeit als ziemlich Außenseiter galt.

In Bezug auf die Gewinnung von mehr Frauen wäre der größte Unterschied, die Zahl der Frauen zu erhöhen, die Wissenschaft betreiben, aber das ist leicht zu sagen. Wie machen wir das möglich? Vielleicht sollte jeder Wissenschaftler junge Menschen betreuen und ihnen zeigen, dass dies Spaß macht und aufregend ist und dass sie es gerne tun würden.

Interview von Sophie Hardach.

Hast du gelesen? Wo sind die Frauen in der Wissenschaft? Wie die Wissenschaft die Welt retten wird

Ursprünglich veröffentlicht unter www.weforum.org.