Forschung

Der dritte Lauschangriff auf den Kosmos

27.03.2019 - Die beiden LIGO-Instrumente, der Virgo- und der GEO600-Detektor beginnen am 1. April ihren dritten Lauf „O3“ zur Beobachtung von Gravitationswellen.

Das Fenster der Gravitationswellenastronomie wurde vor über drei Jahren aufgestoßen. In den ersten beiden Beobachtungsläufen entdeckten die bestehenden Detektoren zehn Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und eine Neutronensternkollision. In einer rasch gestarteten Kampagne mit einer Vielzahl weiterer Teleskope gelang es, das Verschmelzen der Neutronensterne  darüber hinaus im optischen, Infrarot- sowie Röntgen- und Radiowellenbereich zu beobachten.

Astronominnen und Astronomen weltweit warten nun gespannt auf die Ergebnisse des dritten Beobachtungslaufs „O3“ der beiden LIGO-Instrumente, des Virgo- und des GEO600-Detektors. Die Messkampagne soll ein Jahr und damit länger als bisher dauern sowie von der erhöhten Empfindlichkeit der Detektoren profitieren.

Grundlage dafür sind nicht zuletzt die Entwicklungen der Arbeitsgruppe von Karsten Danzmann am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. Zum Nachweis von Gravitationswellen gilt es, extrem kleine Längenänderungen mit Hilfe hochpräziser Laser zu messen. Die Empfindlichkeit der kilometergroßen Detektoren ist durch winzige quantenmechanische Effekte begrenzt. Diese erzeugen ein Hintergrundrauschen, das die gesuchten Gravitationswellensignale überlagert.

Das Rauschen ist zwar nie ganz zu beseitigen, aber seine Eigenschaften lassen sich durch „Squeezing“ (Quetschen) so verändern, dass es die Messung weniger stört. Ende 2018 erreichte ein Team vom AEI ein Squeezing-Niveau von etwa 6 dB. Durch das stärker unterdrückte Quantenhintergrundrauschen erhöht sich das beobachtbare Volumen des Universums um den Faktor 8.

Die maximale Distanz, in welcher der Virgo-Detektor in Italien Neutronensternverschmelzungen nachweisen kann, liegt derzeit bei 50 Megaparsec (160 Millionen Lichtjahre). Bei LIGO steigt die Empfindlichkeit gegenüber dem zweiten Beobachtungslauf so weit, dass die Detektoren in Hanford und Livingston, USA, Verschmelzungen von Neutronensternen in bis zu 170 Mpc (550 Millionen Lj) nachweisen können. Zuvor waren es etwa 60 Mpc (190 Millionen Lj). Der japanische KAGRA-Detektor wird voraussichtlich ab Ende 2019 an der Beobachtungskampagne teilnehmen und das Netzwerk ergänzen.

Die erwartete Häufigkeit von Verschmelzungen Schwarzer Löcher liegt bei mindestens einigen Ereignissen pro Monat. Verschmelzungen von Neutronensternen ließen sich mit einer Häufigkeit von einmal im Jahr bis zu einmal pro Monat beobachten. Die größere Zahl an Beobachtungen könnte es im Falle der Schwarzen Löcher ermöglichen, die verschiedenen Arten der Verschmelzung zu unterscheiden. Diese ist nämlich nicht nur in binären Systemen möglich, sondern in dichten Sternhaufen durch die Kollision einzelner Schwarzer Löcher denkbar.

Karsten Danzmann ist voller Hoffnung für den neuen Beobachtungslauf: „O3 dauert länger als frühere Beobachtungskampagnen, die Detektoren sind empfindlicher als je zuvor, und wir haben unsere Methoden zum Aufspüren und Interpretieren von Signalen verbessert, sodass wir erwarten, viele weitere Signale zu beobachten und mehr über die Eigenschaften ihrer Quelle zu erfahren. Und wer weiß, mit was uns die Natur noch überraschen wird!“

Vielleicht gelingt es, erstmals die Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch nachzuweisen. Auch einzelne Neutronensterne könnten als Quelle kontinuierlicher Gravitationswellen infrage kommen, wenn sie genügend von der perfekten Kugelgestalt abweichen.

In O3 werden mögliche Gravitationswellensignale (Kandidaten für Verschmelzungen von Doppelsystemen), die von den Forschenden der LIGO-Scientific- und Virgo-Kollaborationen identifiziert wurden, nahezu in Echtzeit veröffentlicht. Daten über die Kandidaten, wie die Art des Signals, die Himmelsposition und die geschätzte Entfernung, werden über das GCN-Netzwerk veröffentlicht. Das ermöglicht zeitnahe Folgebeobachtungen von Gravitationswellenereignissen in anderen Beobachtungsbereichen.

Alexander Pawlak

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