LIGO
Erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
11. Februar 2016

Gerüchte gab es schon seit einigen Wochen, heute wurde daraus Gewissheit: Mithilfe des Gravitationswellendetektors LIGO in den USA ist es erstmals gelungen, die schon von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen zu beobachten. Das entdeckte Signal entstand durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung.

Die von den beiden LIGO-Detektoren entdeckten Signale der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Die zusätzlich eingetragene Linie zeigt das vorhergesagte Signal. Bild: NSF / Ligo Collaboration  [Großansicht]

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet, die - ausgelöst von einem Großereignis im fernen Universum - die Erde erreichten. Diese Beobachtung bestätigt eine wichtige Vorhersage der von Albert Einstein im Jahr 1915 formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie öffnet gleichzeitig ein vollkommen neues Fenster zum Kosmos.

Das beobachtete Signal entstand während des letzten Sekundenbruchteils der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern mit der jeweils ungefähr 30-fachen Masse der Sonne zu einem einzelnen massereicheren, rotierenden Schwarzen Loch. Solche Kollisionen von zwei Schwarzen Löchern waren zuvor vorhergesagt, aber noch nie beobachtet worden. Die Verschmelzung ereignete sich in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren.

Die Gravitationswellen dieses Ereignisses wurden am 14. September 2015 um 5.51 Uhr US-Ostküstenzeit (10:51 Uhr MEZ) von zwei identischen Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in Livingston und Hanford in den USA registriert. Wissenschaftler der LIGO Scientific Collaboration und der Virgo Collaboration haben das Signal schließlich in den Daten entdeckt.

An der Entdeckung maßgeblich beteiligt waren auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Potsdam und vom Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover (LUH): mit der Entwicklung und dem Betrieb extrem empfindlicher Detektoren an den Grenzen der Physik, mit effizienten Methoden der Datenanalyse, die auf leistungsfähigen Computerclustern laufen und mit hochgenauen Wellenformmodellen, um das Signal aufzuspüren und astrophysikalische Information daraus zu gewinnen.

Eine wichtige Rolle spielte dabei die GEO-Kollaboration, die aus Wissenschaftlern der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität sowie von britischen Institutionen besteht. Sie entwickelten und betreiben den Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover. Er dient als Ideenschmiede und Prüfstand für fortschrittliche Detektortechnologien. Die meisten der Schlüsseltechnologien, die zur nie zuvor erreichten Empfindlichkeit von Advanced LIGO (aLIGO) beigetragen haben und die Entdeckung ermöglichten, wurden innerhalb der GEO-Kollaboration entwickelt und getestet.

"Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach Gravitationswellen, aber erst jetzt verfügen wir über die unglaublich präzisen Technologien, um diese extrem schwachen Echos aus dem fernen Universum wahrzunehmen", freut sich Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. "Diese Entdeckung wäre unmöglich gewesen ohne die Anstrengungen innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft, der Leibniz Universität, der GEO-Kollaboration und die dort entwickelten Technologien."

So entwickelten und implementierten die Max-Planck-Wissenschaftler fortschrittliche und effiziente Datenanalyse-Methoden, um nach schwachen Gravitationswellen-Signalen in den Daten der aLIGO-Detektoren zu suchen. Sie führten außerdem den Großteil der Produktions-Datenanalyse aus. Zusätzlich stellte der vom AEI betriebene Cluster Atlas, der weltweit leistungsfähigste Großrechner für die Suche nach Gravitationswellen, den Hauptteil der Rechenleistung für die Entdeckung und die Analyse von aLIGO-Daten zur Verfügung. Atlas trug mehr als 24 Million CPU-Kern-Stunden zu dieser Analyse bei.

"Ich bin stolz darauf, dass zwei Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik das Signal als Erste gesehen haben und dass unser Institut eine führende Rolle bei dieser spannenden Entdeckung spielt", sagt Prof. Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. "Einstein selbst glaubte, Gravitationswellen wären zu schwach, um sie nachzuweisen, und er glaubte nicht an die Existenz Schwarzer Löcher. Aber ich denke, dass er nichts dagegen hätte, sich geirrt zu haben!"

Entscheidend für die Möglichkeit, ein solches Signal überhaupt aufzuspüren, waren auch die von Max-Planck-Forschern entwickelten hochgenauen Modelle der Gravitationswellen, die Schwarze Löcher beim Umrunden und Kollidieren aussenden. Diese Wellenformmodelle wurden in der fortlaufenden Suche nach verschmelzenden Binärsystemen in den LIGO-Daten implementiert und angewandt. Das jetzt aufgespürte Signal der Verschmelzung Schwarzer Löcher, das als GW150914 bezeichnet wird, wurde dann mit einer statistischen Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen beobachtet - damit gilt es praktisch als ausgeschlossen, dass es sich um einen Zufall oder ein Störsignal handelt.

"Seit Jahren arbeiten wir daran, die Gravitationswellen zu modellieren, die von einem der extremsten Ereignisse im Universum ausgestrahlt werden: Paare Schwarzer Löcher, die einander umrunden und dann miteinander verschmelzen. Und genau dieses Signal haben wir nun gefunden!" sagt Prof. Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. "Es ist überwältigend zu sehen wie genau Einsteins Relativitätstheorie die Realität beschreibt. GW150914 stellt eine bemerkenswerte Gelegenheit dar, Gravitation unter Extrembedingungen zu untersuchen."

Die LIGO Scientific Collaboration (LSC) besteht aus mehr als 1000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Universitäten in den USA und in 14 weiteren Ländern. Mehr als 90 Universitäten und Forschungseinrichtungen in der LSC entwickeln Detektor-Technologien und analysieren die Daten; rund 250 Studierende tragen als wichtige Mitglieder zur Kollaboration bei. Das Detektornetzwerk der LSC umfasst die LIGO-Interferometer und den GEO600-Detektor. Die Virgo Collaboration besteht aus mehr als 250 Physikern und Ingenieuren aus 19 verschiedenen europäischen Forschungsgruppen.

Über die Entdeckung berichten die Wissenschaftler auch in einem Fachartikel, der von den Physical Review Letters zur Veröffentlichung akzeptiert wurde. Damit ist gewährleistet, dass die Ergebnisse bereits ein externes Gutachterverfahren durchlaufen haben.