Virgo-Detektor entdeckt Gravitationswelle

  • 28. September 2017

Signal wurde durch die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern erzeugt.

Die Beobachtung von Gravitations­wellen wird all­mählich zur Routine: Erneut haben Forscher diese von Albert Einstein vor hundert Jahren vorher­gesagten Kräuselungen der Raumzeit registriert. Doch dieses Mal war neben den beiden US-ameri­kanischen Advanced-Ligo-Obser­vatorien, die alle drei bisher regis­trierten Gravitations­wellen entdeckt hatten, auch der ita­lienische Virgo-Detektor im Spiel. Am 14. August um 12:30:43 Uhr MESZ beobach­teten sämtliche drei Anlagen das Signal GW170814, das durch die Ver­schmelzung von zwei schwarzen Löchern erzeugt wurde.

Abb.: Signal aus dem All: Zwei schwarze Löcher mit 31 und 25 Sonnenmassen verschmelzen und senden dabei Gravitationswellen aus. Die Farben in dieser Simulation charakterisieren die Stärke des Feldes. (Bild: S. Ossokine, A. Buonanno, T. Dietrich, AEI / R. Haas, NCSA)

Abb.: Signal aus dem All: Zwei schwarze Löcher mit 31 und 25 Sonnenmassen verschmelzen und senden dabei Gravitationswellen aus. Die Farben in dieser Simulation charakterisieren die Stärke des Feldes. (Bild: S. Ossokine, A. Buonanno, T. Dietrich, AEI / R. Haas, NCSA)

Große Freude herrscht auch bei den Wissen­schaftlern am Max-Planck-Institut für Gravitations­physik an den Standorten Hannover und Potsdam. „Die Gravitations­wellen-Astro­nomie entwickelt sich rasant. Mit einem dritten großen Detektor können wir die Position und die Entfernung der Quellen von Gravitations­wellen sehr viel genauer bestimmen“, sagen über­einstimmend Alessandra Buonanno und ihre beiden Kollegen Bruce Allen und Karsten Danzmann. „So können wir effi­zienter nach elektro­magnetischen sowie Partikel-Signalen der Quellen suchen und gemeinsam das neue Zeitalter der Multi-Messenger-Astro­nomie voran­treiben.“

Im Fall von GW170814 suchten insgesamt 25 Obser­vatorien im elektro­magnetischen Spektrum, und zwar im Bereich von Gamma- und Röntgen­strahlung, sichtbarem Licht, Infrarot­strahlung und Radiowellen, ebenso nach Neutrino­emissionen. Zwar fand keines der Instrumente ein Signal – was aber den Erwartungen für stellare schwarze Löcher entspricht. Die beiden schwarzen Löcher besaßen vor ihrer Vereinigung 31 und 25 Sonnen­massen. Das resul­tierende schwarze Loch hat 53 Sonnen­massen – drei Sonnen­massen wurden in Gravitations­wellen umgesetzt. Das Signal erreichte den Ligo-Detektor in Livingston rund acht Milli­sekunden vor dem in Hanford und etwa 14 Milli­sekunden vor Virgo in der Toskana. Aus der Kombi­nation dieser Laufzeit­unterschiede ließ sich die Richtung zur Quelle berechnen.

So gelang es, GW170814 auf einen Bereich von 60 Quadrat­grad am Südhimmel zwischen den Stern­bildern Eridanus und Pendeluhr zu loka­lisieren. Der Vergleich der gemessenen Wellen­form mit Vorher­sagen der All­gemeinen Relativitäts­theorie wiederum lieferte eine Entfernung von ungefähr 1,8 Milliarden Licht­jahren. An Entdeckung und Daten­auswertung beteiligt waren auch dieses Mal Wissen­schaftler aus dem Max-Planck-Institut für Gravitations­physik in Potsdam und Hannover. So betreibt Karsten Danzmann in der GEO-Kolla­boration – einem Team von Forschern der Max-Planck-Gesell­schaft, der Leibniz Uni­versität und aus Groß­britannien – seit Mitte der 1990er-Jahre den Gravitations­wellen-Detektor GEO600 südlich von Hannover. Die Anlage ist ein Entwicklungs­zentrum für neuartige und fort­schrittliche Technologien.

Zusammen mit dem Laser Zentrum Hannover entwarfen, bauten und instal­lierten Max-Planck-Wissen­schaftler die Hochleistungs­laser im Herzen der Ligo- und Virgo-Instrumente. Entscheidende Verbes­serungen im optischen Mess­prinzip wie Leistungs- und Signal­überhöhung wurden dabei zuerst bei GEO600 demonstriert. Zudem entwickelte diese Abteilung viele der Algo­rithmen für die Software zur Daten­analyse. Die Unter­suchungen wurden etwa genutzt, um die statistische Signi­fikanz von GW170814 und dessen Parameter zu bestimmen. Außerdem trug der Großrechner Atlas, den die Abteilung in Hannover betreibt, rund 40 Prozent der Rechen­leistung für die derzeit laufende Daten­analyse des zweiten Beobachtungs­laufs bei.

Wie bei vor­herigen wegwei­senden Gravitations­wellen-Beobach­tungen spielte die Abteilung „Astro­physikalische und Kosmo­logische Rela­tivität“ am Potsdamer Max-Planck-Institut eine ent­scheidende Rolle bei der Beo­bachtung und Inter­pretation von GW170814 – so durch Entwicklung und Nutzung der präzi­sesten Wellenform­modelle, welche die Quelle von GW170814 sowohl aufspürten als auch charak­terisierten. Zudem berück­sichtigten die Modelle physi­kalische Effekte wie exzen­trische Umlauf­bahnen und Gezeiten­kräfte bei Neutronen­sternen. Das Ziel ist, bei zukünf­tigen Beobach­tungen die Entstehung solcher Doppelstern­systeme und Materie bei extremen Bedin­gungen besser zu verstehen.

MPG / JOL

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