Machen schwarze Löcher Musik?

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Vorgeplänkel

Meine lieben,
was für eine ganz wunderbare frage „Machen schwarze Löcher Musik?“ Diese Frage wurde mir tatsächlich im Zusammenhang mit der Tatsache gestellt, dass man vieles im Weltall verklanglichen und sonifizieren kann. Welche Hoffnung steckt doch in dieser Frage. Eine Hoffnung, die sie ja gerade so schön macht. Wenn schon kein Licht, also nichts sichtbares und keine Materie einem schwarzen Loch entkommen kann. Macht es dann vielleicht wenigstens unsichtbare Musik? Welch schöne Idee.
Leider musste ich die Fragerin, und jetzt auch den Rest der Welt, enttäuschen. Die Sache ist ganz einfach. Wenn es nicht mal das Licht mit seinen 300000 Kilometern pro Sekunde schafft, so einem Monster zu entkommen, dann sieht es für den Schall mit seinen schlappen 300 Meterchen Pro Sekunden nicht gut aus. Keine Chance für ihn. Und außerdem ist rund um das schwarze Loch das Vakuum des Alls. Dort kann Schall sich ohne Medium nicht ausbreiten.
Aber jetzt nicht traurig sein. Ganz so hoffnungslos ist die Sache gar nicht. Es gibt im Zusammenhang von schwarzen Löchern tatsächlich ein Phänomen, das durchaus sonifiziert wurde. Mit großer Bestürzung musste ich tatsächlich feststellen, dass ich das Phänomen zwar schon dann und wann erwähnte, es selbst und vor allem sein Geräusch hier aber noch gar nicht auf dem Blog eines Artikels gewürdigt habe. Das liegt daran, dass seine Entdeckung zu einer Zeit gemacht wurde, als dieser Blog noch eine Mailingliste mit handverlesenen Leser:innen war. Teile dieses gut abgehangenen Dokuments werden hier wiederverwertet. So geht es nicht verloren, in des Internet Schoß.
Jetzt aber genug gequatscht. Los gehts:

Das große Interesse

Obwohl sich unsere Medien generell eher weniger für physikalisch-astronomische Entdeckungen interessieren, konnte man es von überall her hören, sehen, lesen, oder sonst wie erfahren.
Sie sind nun direkt nachgewiesen worden, die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen.

Wir erinnern uns

Eine der vier fundamentalen Kräfte in unserem Universum ist die Gravitation oder Schwerkraft.
Für das Alltagsverständnis und für das, wie wir mit unseren Sinnen die Welt wahrnehmen, reicht die Vorstellung aus, dass diese misteriöse Kraft einfach zwischen allen Gegenständen wirkt. Alle materiellen Dinge ziehen sich an. Das war die Vorstellung von Gravitation von Johannes Kepler und Isaac Newton, der diese Vorstellung mathematisch fundamentierte.

Man ging davon aus, dass Wirkungen der Schwerkraft sich unmittelbar zeigen, will sagen, sie benötigen keine Zeit zu ihrer Ausbreitung.
Kannte man doch diese Erfahrung vom Licht her. Zündet man eine Lampe an, dann scheint es sofort und unmittelbar im ganzen Raum hell auf einen Schlag zu werden.
Wir erleben Licht, als benötigte es keine Zeit zu seiner Ausbreitung.
Dass es eben doch eine Zeit benötigt, und wie man das herausfand, beschrieb ich in Station 6 der Reise zu den schwarzen löchern.

In meinem Artikel über das Vakuum Nichts ist auch was berichtete ich, wie Michelson und Morlay zu beweisen versuchten, dass das Vakuum von einem Äther erfüllt sei. Es sollte, wie der Schall die Luft, ein Medium benötigen, um sich verbreiten zu können.
Ihr Versuch ergab aber, dass es eben diesen Äther nicht gibt und Einstein bemerkte, dass Licht ohne einen solchen auskommt.
Licht ist also nicht unendlich schnell und braucht kein Medium, in welchem es sich fortbewegt.

Das heißt aber nicht, dass die Ausbreitung von Gravitation nicht unendlich schnell sein kann, oder?
In „Was Einstein weltberühmt machen sollte“ beschrieb ich, wie man herausfand, dass Massen sich nicht gegenseitig anziehen, sondern den Raum krümmen. die in diesem Artikel erwähnte Sonnenfinsternis machte Einstein weltberühmt, weil man herausfand dass durch die Krümmung des Raumes sogar das Licht abgelenkt wird.
Aus der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit und dem Einfluss von Gravitation auf Licht, folgerte Einstein, dass die Ausbreitung gravitativer Ereignisse, auch endlich sein sollte.
Das spricht für eine Wellenbewegung.
Somit breitet sich so ein Ereignis mit Lichtgeschwindigkeit wellenartig aus.
Da der Einfluss von Gravitation auf Licht nicht sehr stark ist, sind auch Gravitationswellen schwach und nur schwer nachweisbar.
Ereignisse, bei welchen große Massen im spiel sind und bewegt werden, können nur astronomischer Natur sein, da es größere Masse nirgendwo gibt.
Stoßen beispielsweise zwei Sterne zusammen, verschmelzen zwei schwarze Löcher, explodiert ein schwerer Stern zu einer Supernova, dann werden enorme Massen bewegt und das Ereignis sollte eine Art Schockwelle aus Gravitation mit Lichtgeschwindigkeit durch das All jagen.

Solch eine Welle verändert auf ihrem Weg, dort, wo sie vorbei kommt, für kurze Zeit und sehr schwach die Raumkrümmung. Das bedeutet, dass sich ganz kurz die Geometrie verändert. Sehr lange Wegstrecken verkürzen sich kurzfristig ganz leicht, um sich nachher wieder auf ihre ursprüngliche Länge zurück zu dehnen.
Das macht auf mehrere Kilometer Länge aber weniger, als ein Atomdurchmesser des Wasserstoffs aus, aber es ist mehr als nichts.

Der Nachweis

Diese Tatsache machte sich das Messgerät zu nutze, mit welchem die Gravitationswellen im September 2015 direkt gemessen wurden.
Es war ein Verbund von Messgeräten (LIGO-Cooperation).
Eines dieser Geräte besteht im wesentlichen aus zwei rechtwinklig verlaufenden Röhren, von denen jede vier Kilometer lang ist. Im rechten Winkel dieser beiden Röhren steht der Detektor.
Nun wird ein Laserstrahl ausgesendet und so aufgefächert, dass in jede Röhre ein Teil des Strahls fällt.
Diese rasen nun in ihren luftleer gepumpten Röhren entlang, werden an hochpräzisionsspiegeln an den Enden reflektiert und zurück geworfen.
Am Detektor wird dieses Licht empfangen und beobachtet. Das Messgerät ist so justiert, dass sich am Treffpunkt der beiden Strahlen die Lichtwellen gerade auslöschen. Wellenberg plus Wellental gleich Dunkelheit.
Streift nun eine Gravitationswelle eine unserer Röhren, dann verändert sich kurzfristig ihre Länge. Dieses wiederum führt dazu, dass das Licht sich auch etwas verändert. Diese Interferenz genannte Veränderung kann man messen.

Man registrierte, dass eine der beiden Röhren für kurze Zeit um weniger als der Durchmesser eines Wasserstoffatoms kürzer war als die andere. Die Wellen beider Strahlen trafen anders aufeinander.
und da man mehrere dieser Messgeräte an weit voneinander entfernten Orten (West- und Ostküste) der USA zur Verfügung hatte, konnte man sogar etwas über die Richtung der Gravitationswellen sagen. Heute gibt es solch ein Messinstrument noch in Italien und Japan, so dass die Richtungsbestimmung noch genauer möglich ist.
Mittlerweile haben diese Geräte viele Ereignisse, z. B. das verschmelzen zweier schwarzer Löcher und oder Neutronensterne nachgewiesen.

Der Klang vom Bang

Solch ein Ereignis läuft immer so ab, dass sich zwei große Massen um ihren gemeinsamen Schwerpunkt bewegen, sich langsam annähern, weil sie Gravitationswellen abgeben, der Tanz dann immer schneller wird, und letztlich mit der Verschmelzung endet.
Das lässt dann die Raumzeit erzittern. Und das ist es, was man auch verklanglichen kann. Man nimmt dieses Zittern der Interferenz beider Laser und verklanglicht diese Daten dann.
Wir hören hier gleich ein rasch aufsteigendes Wupp-Geräusch. das ist die beschleunigte Drehung der beiden schwarzen löcher. Zum Zeitpunkt der Verschmelzung bricht das ganze dann abrupt ab. Und so haben dann schwarze Löcher nie musiziert, aber doch in gewisser Weise ein letztes Wort, wenn sie verschmelzen.
Und so klingt das ganze dann:
Sonifizierung der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher.
Bei diesem kleinen Wupp wurde ungefähr die dreifache Energie, die unsere Sonne je spenden kann, als Gravitationswellen in das All geblasen. Das kann man sich nicht vorstellen.

Abspann

Es gab auch vor den LIGO-Experimenten schon indirekte Nachweise von Gravitationswellen, und es sind schon neue Messinstrumente, die im All geparkt werden sollen in Planung, aber die bewahren wir uns für einen späteren Artikel auf.
Wir wollen ja nicht zu länglich werden, gell?