Physiker haben Stephen Hawkings berühmten Flächensatz für Schwarze Löcher zum ersten Mal direkt anhand von Gravitationswellen aus dem Jahr 2015 beobachtet. Die Auswertung der Signale des Ereignisses GW150914 zeigt mit einer Sicherheit von 95 Prozent, dass die Ereignishorizonte nach der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher nicht geschrumpft sind.
Bereits im Jahr 1971 stellte der Physiker Stephen Hawking eine fundamentale Regel auf, nach der die Gesamtfläche von Ereignishorizonten – also jener Grenze, ab der kein Licht mehr entkommen kann – niemals abnehmen darf. Diese Gesetzmäßigkeit erinnert an den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, demzufolge die Entropie in einem geschlossenen System ebenfalls nicht sinken kann. Über Jahrzehnte hinweg ließ sich dieses Prinzip zwar mathematisch herleiten, doch in der Natur schien eine Überprüfung unerreichbar.
Gravitationswellen als Schlüssel zum Flächensatz
Das Team hinter dem Durchbruch nutzte die Daten des ersten Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory-Signals (LIGO) aus dem Jahr 2015, das unter der Bezeichnung GW150914 registriert wurde. Das Signal stammte von zwei spiralförmig aufeinander zubewegten Schwarzen Löchern, die nach ihrer Kollision ein einziges Schwarzes Loch bildeten und dabei enorme Energiemengen als Raumzeit-Rippeln freisetzten. Saul Teukolsky, Hans Bethe Professor of Physics in the College of Arts and Sciences und Koautor der Untersuchung im Bericht der Cornell University, erklärte, dass die Vorstellung, man könne Hawkings Flächensatz tatsächlich testen, verrückt wirke.
Um die mathematischen Vorhersagen mit der Realität abzugleichen, berechneten Forschende zunächst die Masse und den Spin der beiden ursprünglichen Schwarzen Löcher vor dem Zusammenstoß. Daraus ermittelten sie eine kombinierte Horizontfläche von etwa 235.000 Quadratkilometern, was in etwa der doppelten Fläche des US-Bundesstaates New York entspricht. Durch die Analyse der Nachhallphase – des sogenannten Ringdowns – nach dem Verschmelzen bestimmten die Wissenschaftler die Eigenschaften des neu entstandenen Endprodukts laut der veröffentlichten Studiendetails. Die Fläche des finalen Ereignishorizonts lag demnach bei rund 367.000 Quadratkilometern oder etwa dem Dreifachen der Fläche New Yorks.
„The data show with overwhelming confidence that the horizon area increased after the merger, and that the area law is satisfied with very high probability,“
Maximiliano Isi, NASA Einstein Postdoctoral Fellow at MIT
Neue Methoden zur Kartierung von Nachklängen
Wissenschaftler der University of Cambridge entwickelten zudem einen neuen Bayes-basierten Analyseansatz, um die Schwingungen solcher Schwarzen Löcher noch präziser zu kartieren wie das Portal SpaceEyeNews beschreibt. Dieses Verfahren filtert überflüssige Signalbestandteile heraus und trennt sie von echter Physik. Die Forschenden testeten das Framework an 13 hochpräzisen Simulationen binärer Schwarzer-Loch-Verschmelzungen, die unterschiedliche Masseverhältnisse und Rotationsachsen abbildeten.
Die Auswertung zeigte, dass kurz nach dem Signalmaximum mehrere hohe Obertöne bis zur Ordnung n = 6 auftreten berichtet Scinexx unter Berufung auf die Untersuchungen. Zudem identifizierten die Algorithmen nichtlineare Moden, die durch das Zusammenspiel grundlegender Schwingungen entstehen, sowie in einigen Systemen rückläufige Schwingungen, die entgegengesetzt zur Rotation des Endzustands verlaufen. Während diese feineren Komponenten in aktuellen Messdaten noch schwer nachweisbar sind und stark vom Detektorrauschen verdeckt werden, liefert der erstellte Katalog ein systematisches Suchschema für künftige Beobachtungen.
