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GRAVITATIONSWELLEN
Drei Detektoren belauschten ein Ereignis
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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28. September 2017

Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, die Gravitationswellen eines entfernten Ereignisses mit drei verschiedenen Detektoren nachzuweisen: Im August registrierten die zwei LIGO-Detektoren in den USA sowie der Virgo-Detektor in Italien die Kräuselungen in der Raumzeit, die durch die Verschmelzung zweier Schwarzen Löcher in 1,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung entstanden.

GW170814

Die Abbildung zeigt die Verschmelzung von zwei einander umkreisenden Schwarzen Löchern, wie sie am 14. August 2017 von den Advanced LIGO- und Advanced Virgo-Observatorien gemessen wurde. Die Stärke der Gravitationswelle wird sowohl durch die Höhe als auch durch die Farbe dargestellt. Dabei steht Dunkelgrün für schwache Felder und helles Violett für starke Felder. Bild: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes project (Numerisch-relativistische Simulation); T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), R. Haas (NCSA)(Visualisierung) [Großansicht]

Vom 1. bis zum 25. August nahm der Advanced-Virgo-Gravitationswellendetektor in Italien gemeinsam mit den beiden US-amerikanischen Advanced-LIGO-Observatorien und dem kleineren deutsch-britischen GEO600-Instrument Daten auf. Am 14. August 2017 beobachtete das LIGO-Virgo-Netzwerk eine Gravitationswelle von einem Paar verschmelzender Schwarzer Löcher. Die dreifache gemeinsame Messung verbesserte signifikant die Genauigkeit, mit der sich Himmelsposition und Entfernung der Schwarzen Löcher bestimmen ließen.

Detaillierte Untersuchungen zeigten, dass die Gravitationswelle beim Ineinanderfallen und Verschmelzen von zwei relativ schweren Schwarzen Löchern mit ca. 31 beziehungsweise 25 Sonnenmassen entstand, vergleichbar mit der Quelle der ersten gemessenen Gravitationswelle. Die Verschmelzung ereignete sich in einer Entfernung von rund 1,8 Milliarden Lichtjahren. GW170814 erreichte den LIGO-Livingston-Detektor ca. acht Millisekunden vor dem LIGO-Hanford-Detektor und etwa 14 Millisekunden vor dem Virgo-Detektor. Aus der Kombination dieser Laufzeitunterschiede lässt sich die Richtung zur Quelle der Gravitationswelle berechnen.

GW170814 ließ sich auf einen Bereich von 60 Quadratgrad (300-mal die scheinbare Größe des Vollmonds) am Südhimmel zwischen den Sternbildern Eridanus und Pendeluhr lokalisieren. Aus dem Vergleich der gemessenen Wellenform mit Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie wiederum bestimmten die Forschenden die Entfernung zu den Schwarzen Löchern.

"Die Gravitationswellenastronomie entwickelt sich rasant. Mit einem dritten großen Detektor können wir die Position und die Entfernung der Quellen von Gravitationswellen sehr viel genauer bestimmen. In der Zusammenarbeit mit Astronomen und Astronominnen können wir so effizienter nach elektromagnetischen und Partikel-Signalen der Quellen suchen und so gemeinsam das neue Zeitalter der Multi-Messenger-Astronomie vorantreiben", sagen Bruce Allen und Alessandra Buonanno vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Karsten Danzmann, der zusätzlich noch am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover forscht.

Im Fall von GW170814 suchten insgesamt 25 Observatorien nach elektromagnetischer Strahlung im Bereich von Gamma- und Röntgenstrahlung, sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung und Radiowellen, ebenso nach Neutrinoemissionen; keines der Instrumente fand ein Signal – das entspricht den Erwartungen für stellare Schwarze Löcher.

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In der GEO-Kollaboration, einem Team von Forschenden der Max-Planck-Gesellschaft, der Leibniz Universität und aus Großbritannien betreibt Danzmann seit Mitte der 1990er Jahre den Gravitationswellen-Detektor GEO600 südlich von Hannover. GEO600 ist ein Entwicklungszentrum für neuartige und fortschrittliche Technologien in der internationalen Gravitationswellenforscher-Gemeinschaft. Viele Schlüsseltechnologien, die die nie zuvor erreichte Empfindlichkeit der LIGO-Observatorien und die bahnbrechenden Entdeckungen ermöglichen, wurden bei GEO600 entwickelt und getestet.

Zusammen mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. entwickelten, bauten und installierten AEI-Forschende die Hochleistungslaser im Herzen der LIGO- und Virgo-Instrumente. Entscheidende Verbesserungen im optischen Messprinzip wie Leistungs- und Signalüberhöhung wurden zuerst bei GEO600 in einem großen Gravitationswellen-Detektor demonstriert. GEO600 ist darüber hinaus derzeit der einzige Gravitationswellen-Detektor weltweit, der sogenanntes Quetschlicht einsetzt, das zukünftig alle Gravitationswellen-Detektoren auf der Erde verwenden werden, um ihre Empfindlichkeit weiter zu steigern.

Mitglieder der Abteilung "Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie" am AEI Hannover analysierten die Virgo-Daten, um die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass zufällige Rauschschwankungen das schwache Virgo-Signal verursachten. Sie fanden heraus, dass das Signal mit mehr als 99%iger Wahrscheinlichkeit echt ist. Sie haben außerdem Methoden entwickelt, um instrumentelle Artefakte in den LIGO-Daten zu beheben und so die LIGO-Empfindlichkeit signifikant zu erhöhen.

Die Wissenschaftler aus Hannover entwickelten und implementierten zudem viele der Algorithmen für die Software, die für die Analyse der LIGO-Daten genutzt werden. Diese Untersuchungen wurden beispielsweise verwendet, um die statistische Signifikanz von GW170814 und dessen Parameter zu bestimmen. Außerdem trug der Großrechner Atlas, den die Abteilung betreibt, rund 40% der Rechenleistung für die derzeit laufende Datenanalyse des zweiten Beobachtungslaufs "O2" bei.

Wie bei vorherigen wegweisenden Gravitationswellen-Beobachtungen hatte die Abteilung "Astrophysikalische und Kosmologische Relativität" am AEI in Potsdam eine entscheidende Rolle bei der Beobachtung und Interpretation von GW170814. Ein signifikanter Beitrag war die Entwicklung und Nutzung der präzisesten Wellenformmodelle, die die Quelle von GW170814 sowohl aufspürten als auch charakterisierten.

Mehr als 1200 Forschende aus aller Welt sind durch die LIGO Scientific Collaboration, die die GEO-Kollaboration beinhaltet, an den Beobachtungen beteiligt. Die Virgo-Kollaboration besteht aus mehr als 280 Mitgliedern aus 20 verschiedenen europäischen Forschungsgruppen. Über die Beobachtung berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wird.

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Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
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