// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Neue Methode kartiert das Nachklingen Schwarzer Löcher
Nach einer Verschmelzung schwingt ein Schwarzes Loch in charakteristischen Frequenzen aus. Ein neues Analyseverfahren kann in Simulationen nun selbst schwache Obertöne und nichtlineare Schwingungen systematisch erkennen und über verschiedene Startzeitpunkte katalogisieren. Das soll künftige Gravitationswellenmessungen dabei unterstützen, Einsteins Relativitätstheorie genauer zu testen.
Cambridge (England). Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, entsteht ein neues Objekt, das noch kurze Zeit Gravitationswellen aussendet und wie eine gedämpfte Glocke nachklingt. Seine einzelnen Frequenzen hängen vor allem von Masse und Rotation des entstandenen Schwarzen Lochs ab.
Diese sogenannten Quasinormalmoden bilden eine Art Fingerabdruck des Endzustands, wobei der stärkste Grundton in Gravitationswellendaten bereits nachweisbar ist. Schwächere Obertöne und weitere Schwingungsmoden sind dagegen schwieriger eindeutig zu erkennen, obwohl gerade mehrere solcher Moden besonders strenge Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichen könnten.
Forscher der University of Cambridge um Richard Dyer haben nun ein vollständig bayesianisches Verfahren entwickelt, das die Modenzusammensetzung des Ringdowns datengetrieben bestimmt. Dazu analysierte das Team alle 13 öffentlich verfügbaren hochgenauen Simulationen des Ext-CCE-Katalogs der Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration (SXS), die unterschiedliche Massenverhältnisse und Rotationen der kollidierenden Schwarzen Löcher umfassen.
Für jeden gewählten Startzeitpunkt prüft der Algorithmus zahlreiche mögliche Schwingungsmoden. Bayes-Faktoren bewerten, ob eine zusätzliche Mode die Daten überzeugend besser erklärt, während ein nachgeschalteter statistischer Modelltest Über- und Unteranpassung erkennen soll und so eine zu komplexe Beschreibung verhindert.
„Während die lauteste Mode in Gravitationswellendaten routinemäßig beobachtet wird, sind viele leisere Moden deutlich schwieriger nachzuweisen, und es wird seit Langem darüber diskutiert, welche Moden vorhanden sind und wann sie auftreten. Unsere Methode bietet einen systematischen, datengestützten Weg, diese Unsicherheit zu klären, und unsere Ergebnisse liefern eine Referenz sowohl für theoretische Studien als auch für reale Beobachtungen“, sagt Richard Dyer.
Die Auswertung zeigt, dass kurz nach dem Signalmaximum mehrere hohe Obertöne gebraucht werden, um die simulierten Wellenformen zu beschreiben. In mehreren Schwingungskomponenten identifizierte das Verfahren Obertöne bis zur Ordnung n = 6. Beginnt die Analyse später, verschwinden diese kurzlebigen Beiträge weitgehend in der erwarteten Reihenfolge aus dem bevorzugten Modell.
Daneben fand das Team nichtlineare Moden, die durch das Zusammenspiel grundlegender Schwingungen entstehen. Besonders deutliche quadratische Beiträge zeigten sich in mehreren höheren Wellenkomponenten, während das Verfahren in einer schwächeren Komponente sogar eine kubische Mode identifizierte. Einige dieser nichtlinearen Signale blieben länger nachweisbar als die Obertöne, weil die zugrunde liegenden Grundmoden langsamer abklingen.
„Der Ringdown ist eine der direktesten Möglichkeiten, Schwarze Löcher zu untersuchen, die uns zur Verfügung stehen. Doch all die darin enthaltenen Informationen herauszuholen, ist schwierig. Wir wollten dafür einen systematisch begründeten, datengestützten Ansatz“, erklärt Richard Dyer.
Die Forscher haben für alle Simulationen festgehalten, welche Moden bei verschiedenen Startzeitpunkten statistisch bevorzugt werden, und damit eine Referenz für besonders aussichtsreiche zusätzliche Frequenzen in künftigen Gravitationswellensignalen geschaffen. Das ist wichtig, weil die relative Stärke der schwächeren Moden von den Eigenschaften des ursprünglichen Doppelsystems abhängt.