Zwei Schwarze Löcher verschmelzen

Wie zwei Schwarze Löcher aufeinander zuspiralen, den Raum selbst erschüttern und 1,3 Milliarden Jahre später auf der Erde gehört wurden

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Schritt für Schritt

Ein Paar Schwarzer Löcher

Jedes ist der Rest eines massereichen Sterns. Der Horizont des größeren misst etwa 210 km, der des kleineren etwa 170 km, nicht breiter als eine Stadt; dennoch wird um jedes das Licht der Sterne dahinter zu Bögen und Ringen gebogen. Wie zwei solche Löcher zusammenfinden, ist noch umstritten: Vielleicht entstanden sie aus einem Paar Riesensterne, oder sie trafen sich in einem dichten Sternhaufen.

Nichts drängt sie von außen zusammen. Ihre Umlaufbahn verliert Energie an Wellen, die sie im Raum selbst erzeugt, und schrumpft deshalb, erst langsam, dann immer schneller. Bei diesem Abstand bleiben ihnen noch etwa fünfzig Minuten.

Wellen im Raum

Während sie kreisen, erschüttern sie den Raum selbst. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, dehnen den Raum in einer Richtung und stauchen ihn in der anderen, zweimal pro Umlauf.

Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagte diese Wellen 1916 voraus. Jede Masse, die ihre Bewegung ändert, sendet sie aus, doch nur riesige, sehr schnell bewegte Massen erzeugen Wellen, die stark genug sind, um eine Rolle zu spielen. Hier sind sie in der Bahnebene gezeichnet, golden, wo der Raum gedehnt, und blau, wo er gestaucht wird; jeder Teil zeigt, was das Paar tat, als dieser Teil der Welle aufbrach.

Die Wellen tragen Energie fort, und die stammt aus der Umlaufbahn. Doch selbst in einer Million Kilometern Entfernung dehnen sie den Raum nur um etwa ein Millionstel. Diese langsamen Wellen, die etwa einmal pro Sekunde steigen und fallen, sind zu langsam für jeden Detektor auf der Erde.

Immer schneller

Zeitraffer: Während die Umlaufbahn schrumpft, wird sie schneller, und die Wellen werden stärker. In ihren letzten fünfzig Minuten rücken die Löcher von 10.000 km auf etwa 900 km zusammen und kreisen 17-mal pro Sekunde.

Je näher die Löcher, desto schneller bewegen sie sich und desto stärker sind die Wellen, die sie aussenden, sodass die Umlaufbahn noch schneller Energie verliert. Die Spirale verselbstständigt sich: Die meiste Zeit dieser fünfzig Minuten vergeht in weiten, langsamen Runden, die letzten tausend Kilometer dauern weniger als eine Drittelsekunde.

Die Tonhöhe der Wellen ist doppelt so hoch wie die Zahl der Umläufe pro Sekunde. Wenn sie etwa 30 Schwingungen pro Sekunde überschreitet, schnell genug für die LIGO-Detektoren, bewegen sich die Löcher mit einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit gegeneinander.

Die letzte Fünftelsekunde

Etwa siebzigfach verlangsamt: In ihrer letzten Fünftelsekunde umrunden sich die Löcher noch fünfmal und nähern sich auf etwa 320 km, mit mehr als halber Lichtgeschwindigkeit.

Dies ist der Teil der Wellen, den LIGO hörte: etwa zehn Schwingungen in einer Fünftelsekunde, die Tonhöhe steigt von etwa 35 auf 150 Schwingungen pro Sekunde, die Stärke wächst ständig. In Klang verwandelt, steigt sie an wie das Zwitschern eines Vogels, und so nennen Forschende sie auch: „Chirp“.

So nah beieinander krümmen die Löcher den Raum so stark, dass die einfachen Formeln für die Spirale versagen. Nur Supercomputer, die Einsteins Gleichungen lösen, können sie bis zum Ende verfolgen. Die Massen, 36 und 29 Sonnenmassen, fand man, indem man LIGOs Messung mit Tausenden solcher Simulationen verglich.

Aus zwei wird eins

Die Horizonte berühren sich und verschmelzen. Masse im Wert von drei Sonnen ist nun zu Gravitationswellen geworden, das meiste davon in der letzten Fünftelsekunde; auf ihrem Höhepunkt tragen sie mehr Leistung als alle Sterne des beobachtbaren Universums.

Auf dem Höhepunkt tragen die Wellen etwa 3,6 × 10⁴⁹ Watt fort, rund das Fünfzigfache des Lichts aller Sterne im beobachtbaren Universum zusammen, wenn auch nur für einige Tausendstelsekunden. Insgesamt wurde aus 36 und 29 Sonnenmassen ein Loch von 62: Die fehlenden drei gingen als Wellen davon.

Die Verschmelzung selbst ist hier vereinfacht gezeichnet. Supercomputer-Simulationen zeigen, was wirklich geschieht: Die beiden Horizonte vereinen sich zu einem einzigen, verbeulten, der schnell seine Form findet. Bei alldem entweicht nichts außer den Wellen: Zwei Schwarze Löcher, die im leeren Raum verschmelzen, geben überhaupt kein Licht ab.

Ein Schwarzes Loch

Übrig bleibt ein einziges Schwarzes Loch von 62 Sonnenmassen, dessen Horizont sich etwa 100-mal pro Sekunde dreht. Es klang wie eine angeschlagene Glocke, mit etwa 250 Schwingungen pro Sekunde, und verstummte fast sofort.

Das Klingen ist der neue Horizont, der seine Form findet. Tonhöhe und Abklingzeit hängen nur von Masse und Drehung des Lochs ab, genau wie die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, und was LIGO hörte, passt dazu.

Stephen Hawking zeigte 1971, dass die Gesamtfläche der Horizonte Schwarzer Löcher nie schrumpfen kann. Hier hatten die beiden Horizonte zusammen etwa 230.000 km²; der neue hat etwa 370.000 km², also mehr, obwohl drei Sonnenmassen verloren gingen. 2025 bestätigte eine lautere Verschmelzung, GW250114, dies deutlicher als je zuvor.

Hinaus ins Universum

Die Wellen eilen mit Lichtgeschwindigkeit hinaus und werden schwächer, während sie sich ausbreiten. Nach gut einer Sekunde haben sie die Strecke von der Erde zum Mond zurückgelegt, nach acht Minuten die zur Sonne.

Ihre Stärke nimmt im gleichen Maß ab, wie die Entfernung zunimmt: zehnmal weiter, zehnmal schwächer. Anders als Licht gehen sie durch Sterne, Gas und Staub, als wäre nichts da, und kommen daher so an, wie sie aufbrachen, nur schwächer.

Sie waren 1,3 Milliarden Jahre unterwegs. Als sie aufbrachen, bestand das Leben auf der Erde noch fast nur aus Einzellern. Unterwegs wuchs das Universum und dehnte sie mit: Sie kamen 9 % länger und tiefer an, als sie aufgebrochen waren, was Forschende bei der Berechnung der Massen berücksichtigen.

LIGO hört es

Am 14. September 2015 um 09:50:45 UTC fegten die Wellen vom Südhimmel her über die Erde. LIGOs Detektor in Livingston, Louisiana, spürte sie zuerst; der in Hanford, Washington, 3000 km entfernt, 7 Tausendstelsekunden später.

Jeder LIGO-Detektor ist ein L aus zwei 4 km langen Armen, in denen Laserlicht hin und her läuft. Eine vorbeiziehende Welle dehnt einen Arm und staucht den anderen; auf dem Höhepunkt änderten diese Arme ihre Länge um etwa ein Tausendstel der Breite eines Protons, und LIGO hat es gemessen.

Da die Wellen mit Lichtgeschwindigkeit laufen, legten die 7 ms zwischen den Detektoren die Quelle auf einen Ring am Südhimmel fest; mehr konnten zwei Detektoren nicht sagen. In Amerika war es Nacht: 4:50 Uhr morgens in Louisiana. Hier läuft die Zeit etwa sechzigmal langsamer.

Hunderte weitere

Es war das erste Mal, dass jemand Gravitationswellen nachwies, ein Jahrhundert nachdem Einstein sie vorhergesagt hatte. Bis 2025 hörten die Detektoren etwa 300 Verschmelzungen Schwarzer Löcher, eine alle paar Tage.

Die Entdeckung brachte Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne den Physik-Nobelpreis 2017 ein. LIGO lauscht heute zusammen mit Virgo in Italien und KAGRA in Japan: Mit drei oder mehr Detektoren lässt sich eine Quelle am Himmel viel genauer bestimmen.

Das schwerste bisher gehörte Paar, GW231123, bildete ein Schwarzes Loch von etwa 225 Sonnenmassen. 2017 hörte man zwei Neutronensterne zusammenstoßen, und Teleskope fingen danach das Licht der Explosion ein, in der schwere Elemente wie Gold entstehen.