Visualisierung der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher (GW190814)

Visualisierung der Kollision zweier Schwarzer Löcher, die einander umkreisen, verschmelzen und dabei Gravitationswellen abstrahlen. Das größere Schwarze Loch ist 9,2-mal so massereich wie das kleinere. Beide Objekte drehen sich nicht um sich selbst. Das hohe Massenverhältnis verstärkt die Obertöne der Gravitationswellen im ausgesendeten Signal. Das berechnete Gravitationswellensignal stimmt mit der Beobachtung der Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo vom 14. August 2019 (GW190814) überein.

Details der Visualisierung

Die Visualisierung zeigt das Gravitationswellensignal und die Bahnen der Horizonte der Schwarzen Löcher. Sie beginnt ca. 10 Sekunden vor der Verschmelzung. Zu diesem Zeitpunkt sind die beiden Schwarzen Löcher noch etwa 160 gegenseitige Umrundungen von ihrer Verschmelzung entfernt. Die Gravitationswellenfrequenz entspricht etwa 20 Hertz. Diese Phase des Umkreisens und Aufeinanderzufallens ist länger als alle bislang verfügbaren numerisch-relativistischen Simulationen deren physikalische Parameter mit dem Ereignis übereinstimmen. Dafür verwendet die Visualisierung eine Kombination aus den Ergebnissen eines effektiven Ein-Körper-Modells (das Wellenformmodell SEOBNRv4HM) und der numerischen Relativitätstheorie. Insbesondere gilt:
Die Gravitationswellen werden mit dem SEOBNR-Wellenformmodell berechnet.
Für die Bahnen der Schwarzen Löcher und die Form ihrer Horizonte gilt:
- im Bereich bis zu 0,7 Sekunden vor der Verschmelzung stammen die Bahndaten aus dem SEOBNR-Modell. Die Horizonte werden als Koordinatenkugeln dargestellt, deren Radien proportional zu ihren Massen sind.
- für die letzten 0,7 Sekunden bis zur Verschmelzung, während der Verschmelzung selbst und in der Abklingphase zeigt die Visualisierung die Bahnen und scheinbaren Horizonte aus einer numerisch-relativistischen Simulation der SXS-Kollaboration für ein System mit demselben Massenverhältnis (SXS:BBH:1108).
Die Gravitationswellen werden in Farben um die Schwarzen Löcher herum dargestellt. Gezeigt ist der Realteil des numerisch berechneten Signals, wobei die invers-radiale Skalierung für die Visualisierung entfernt wurde.
Der linke (Haupt-)Teil des Films zeigt stets die komplette Gravitationswellenabstrahlung. Dabei verändern sich die Farben von Blau (schwache Gravitationswellen) zu Orange (starke Gravitationswellen).
Jedes der vier Felder auf der rechten Seite zeigt eine andere Komponente (oder: einen anderen Oberton) des Gravitationswellensignals in einer anderen Farbe. Von links nach rechts und von oben nach unten zeigen die Tafeln die quadrupolare (l=2, m=+/-2), oktupolare (l=3, m=+/-3), hexadekupolare (l=4, m=+/-4) und 32-polare (l=5, m=+/-5) Mode. Jede Mode ist in der Amplitude auf ihr jeweiliges Maximum skaliert. Die Farben in diesen vier Feldern gehen von dunkel zu hell über und zeigen schwache bis starke Gravitationswellen in den jeweiligen Moden.

Bildrechte

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Film

Visualisierung der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher (GW190814)

https://www.youtube.com/watch?v=p4xHz-If6kw

Standbilder aus dieser Simulation nach dem Seitenumbruch!