GRAVITATIONSWELLEN
Zahlreiche neue Ereignisse in sechs Monaten
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
30. Oktober 2020

Gravitationswellenforscherinnen und -forscher haben einen aktualisierten Katalog von Gravitationswellensignalen vorgestellt, der auch Ereignisse enthält, die in den Daten des ersten Teils des dritten gemeinsamen Beobachtungslaufs der Detektoren Virgo und LIGO entdeckt wurden. 39 neue Signale sind hinzugekommen, insgesamt enthält der Katalog nun 50 Signale.

Visualisierung des Zusammenpralls zweier Schwarzer Löcher, die einander umkreisen, verschmelzen und dabei Gravitationswellen aussenden. Das größere Schwarze Loch ist 9,2-mal so massereich wie das kleinere. Beide Objekte drehen sich nicht um sich selbst. Bild: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) [Großansicht]

Die LIGO-Scientific- und die Virgo-Kollaborationen haben ihren Gravitationswellen-Katalog aktualisiert und 39 neu entdeckte Gravitationswellensignale einschließlich ihrer astrophysikalischen Bedeutung und genauerer Tests der allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlicht. Der "Gravitational-Wave Transient Catalog 2" (GWTC-2) enthält nun 50 Signale verglichen mit elf Signalen in der Vorversion. Die 39 neuen Entdeckungen stammen aus O3a, den ersten sechs Monaten des dritten gemeinsamen Beobachtungslaufs O3, der am 1. April 2019 begann.

Die neuen Signale kommen von verschiedenen Systemen verschmelzender Schwarzer Löcher und Neutronensterne in allen Kombinationen. Einige außergewöhnliche Ereignisse wurden bereits in den vergangenen Monaten veröffentlicht. Während der neue Katalog viele Verschmelzungen von Doppelsystemen Schwarzer Löcher enthält, die inzwischen routinemäßig gefunden werden, enthält er auch einige weitere Überraschungen: beispielsweise die leichteste Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher oder eine mögliche Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern. Ergebnisse aus der zweiten Hälfte von O3 werden später veröffentlicht und sollten weitere Überraschungen aus dem dunklen Universum ans Licht bringen.

Abgesehen von den bereits früher veröffentlichten außergewöhnlichen Ereignissen GW190412, GW190425, GW190521 und GW190814 enthält der neue Katalog GWTC-2 zwei weitere besonders bemerkenswerte Ereignisse mit den Bezeichnungen GW190426_152155 und GW190924_021846 (nach einer neuen Namenskonvention wird die UTC-Zeit an die Ereignisbezeichnung angehängt). "Eine unserer neuen Entdeckungen, GW190426_152155, könnte eine Verschmelzung eines Schwarzen Lochs von etwa sechs Sonnenmassen mit einem Neutronenstern sein. Leider ist das Signal eher schwach, so dass wir nicht ganz sicher sein können", erklärt Serguei Ossokine, wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI Potsdam. "GW190924_021846 stammt mit Sicherheit von der Verschmelzung der beiden leichtesten Schwarzen Löcher, die wir bisher beobachtet haben. Das eine hatte die Masse von sechs Sonnen, das andere die von neun. Es gibt Signale von Verschmelzungen mit weniger massereichen Objekten wie zum Beispiel GW190814, aber hier wissen wir nicht mit Sicherheit, ob es sich dabei um Schwarze Löcher handelt."

"Dass wir über einen Zeitraum von sechs Monaten alle fünf Tage ein neues Gravitationswellen-Ereignis aufspüren konnten, verdanken wir Nachrüstungen und Verbesserungen der beiden LIGO-Detektoren und des Virgo-Detektors", sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. "Eine wichtige Rolle spielten zum Beispiel die am AEI Hannover entwickelten Hochleistungslaser, neue Spiegel und die Reduzierung von Hintergrundrauschquellen. Dadurch vergrößerte sich der Ausschnitt des Universums, aus dem unsere Detektoren beispielsweise das Signal von verschmelzenden Neutronensternen aufnehmen konnten, um das Vierfache!" Auch die Verarbeitung der Rohdaten der Detektoren, der Umgang mit Störimpulsen (Glitches) und die Kalibrierung der Daten wurde verbessert, so dass die LIGO/Virgo-Forscherinnen und -Forscher tiefer in den Kosmos hinein lauschen können als je zuvor.

"Unsere Verbesserungen der Wellenformmodelle, mit denen wir nach den Signalen in den Detektordaten suchen, waren entscheidend für die Nachweise", sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI Potsdam und Professorin an der University of Maryland. "Wir brauchen genaue Wellenformmodelle mit vollständigen physikalischen Effekten auch, um die verschiedenen astrophysikalischen Quellen zu identifizieren, um die Population dieser Quellen im Universum zu verstehen und um Tests der Gravitation im starken und dynamischen Bereich durchzuführen. Zum ersten Mal analysierten wir eingehend die Eigenschaften des Restobjekts, während es die Raumzeit zum Schwingen bringt, und die Bedeutung der höheren Harmonischen im Signal für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie."

In O3a, den ersten sechs Monaten des dritten gemeinsamen LIGO/Virgo-Beobachtungslaufs O3, fanden die Forscherinnen und Forscher viermal so viele Signale wie in den beiden vorangegangenen Beobachtungsläufen zusammen (elf Monate Gesamtbeobachtungszeit). Ihre Untersuchung fand 39 neue Ereignisse, wodurch sich die Gesamtzahl auf 50 erhöht. Vorläufige Informationen wurden zu 26 dieser Signale als öffentliche Beobachtungshinweise ("open public alerts") in Echtzeit mitgeteilt, während die restlichen 13 durch empfindlichere und zeitaufwändigere Folgeuntersuchungen gefunden wurden. 7 der 33 öffentlichen Beobachtungshinweise in O3a wurden durch diese genauere Analyse nicht als Gravitationswellensignale bestätigt.

"Beim ersten Blick in den Katalog haben alle Ereignisse eines gemeinsam: Sie stammen von Verschmelzungen kompakter Objekte wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Aber wenn man genauer hinsieht, sind sie alle ziemlich unterschiedlich", sagt Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. "Wir bekommen so ein vollständigeres Bild von der Population der Quellen der Gravitationswellen. Die Massen dieser Objekte erstrecken sich über einen sehr weiten Bereich, von etwa der Masse unserer Sonne bis zu mehr als dem 90-fachen. Einige von ihnen sind näher an der Erde, andere sind sehr weit entfernt."

Die LIGO/Virgo-Forscherinnen und-Forscher haben zudem drei Begleitpublikationen zu ihrem neuen Katalog veröffentlicht. In einer wird untersucht, wie gut die Gravitationswellen-Ereignisse im Katalog mit der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmen; es finden sich keine Hinweise auf eine neue Physik jenseits dieser Theorie. Eine andere Publikation untersucht, was die entdeckten Ereignisse uns über die Population ihrer Quellen im Universum verraten. Die dritte Publikation beschreibt eine Suche nach Gravitationswellen, die gemeinsam mit Gammastrahlenblitzen während O3a beobachtbar gewesen sein könnten. Allerdings wurden keine solchen Signale gefunden.

Das Team hat Beobachtungshinweise für 23 weitere mögliche Gravitationswellenereignisse – sogenannte Kandidaten – in O3b (der zweiten Hälfte von O3, vom 1. November 2019 bis zum 27. März 2020) herausgegeben. Keiner dieser Signalkandidaten wurde als sicher identifiziertes Gravitationswellen-Ereignis veröffentlicht. LIGO- und Virgo-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler prüfen alle verbleibenden Kandidaten und werden dann diejenigen veröffentlichen, für die detaillierte Folgeanalysen ihren astrophysikalischen Ursprung bestätigen.

Die Fachartikel zu den Ergebnissen liegen als Preprint vor.