Drei Ohren hören besser als zwei

27. September 2017

Erneut schwarze Löcher beobachtet: Diesmal haben drei Detektoren die Gravitationswelle aufgefangen



Blick in das Zentralgebäude von GEO600, wo viele der fortschrittlichen Detektortechnologien entwickelt und getestet werden.
© H. Grote/AEI



Der Computercluster Atlas am AEI Hannover ist der weltweit leistungsfähigste Großrechner für die Gravitationswellen-Datenanalyse.
© M. Fiorito/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik






Beschreibung:
Die Abbildungen zeigen 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. Wir skalieren die Amplitude der Gravitationswelle während der Simulation, um das Signal während der gesamten Animation zu zeigen (und nicht nur in der Nähe der Verschmelzung, wenn es am stärksten ist). Die schwarzen Löcher wurden um den Faktor 2 vergrößert, um die Sichtbarkeit zu verbessern.

Die verschiedenen Abbildungen zeigen charakteristische Phasen der Verschmelzung: schwächere Gravitationsfelder beim immer enger werdenden Umkreisen, die Verschmelzung der beiden schwarzen Löcher mit den stärksten Feldern und abgestrahlten Gravitationswellen und das Abklingen des schließlich gebildeten schwarzen Lochs. Das anfängliche System bestand aus zwei schwarzen Löchern mit etwa 25 und 31 Sonnenmassen, das entstandene schwarze Loch hat eine Gesamtmasse von 53 Sonnenmassen. Etwa 3 Sonnenmassen wurden als Gravitationswellen abgestrahlt.

Bildrechte:
Numerisch-relativistische Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes project
Scientific Visualisation: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), R. Haas (NCSA)

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 14.8.2017 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. Forschende vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam und Hannover und der Leibniz Universität Hannover haben erneut wichtige Beiträge zu der Entdeckung geleistet.

Die Virgo- und die LIGO-Scientific-Kollaboration haben heute auf einer Pressekonferenz in Turin bekanntgegeben, dass die erste gemeinsame Messung einer Gravitationswelle durch alle drei großen Detektoren gelungen ist. Am 14. August 2017 um 10:30:43 UTC beobachteten die beiden Advanced-LIGO-Detektoren und der Advanced-Virgo-Detektor ein Gravitationswellensignal, genannt GW170814, das durch die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern erzeugt wurde. Diese dreifache gemeinsame Messung ist die erste gemeinsame LIGO-Virgo-Beobachtung. Die Ergebnisse sind zur Publikation in Physical Review Letters angenommen.

Verschmelzung von zwei massereichen schwarzen Löchern
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. 8 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 Horologium (Pendeluhr) lokalisieren. Aus dem Vergleich der gemessenen Wellenform mit Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie wiederum bestimmen die Forschenden die Entfernung zu den schwarzen Löchern.

Der erste gemeinsame Nachweis von Gravitationswellen durch LIGO und Virgo
„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 Astronom*innen 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, Direktor*innen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. 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.

Schlüsseltechnologien mit GEO600 entwickeln und testen
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. AEI-Forschende zusammen mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. entwickelten, bauten und installierten 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.

Datenanalyse-Methoden und Rechenleistung spüren GW170104 auf
Mitglieder der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ am AEI Hannover analysierten 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.

Forschende der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ entwickelten und implementierten viele der Algorithmen für die Software, die für die Analyse der LIGO-Daten genutzt werden. Diese Untersuchungen wurden beispielsweise genutzt, 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.

Wellenformmodelle erneut entscheidend, um GW170814 zu entdecken und zu verstehen
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. Diese Modelle erlaubten Forschenden am AEI in Potsdam und Mitgliedern der LIGO-Scientific- und Virgo-Kollaboration die Beobachtung, die erstmals das vollständige LIGO-Virgo-Netzwerk der drei großen Detektoren nutzte, mit hoher Signifikanz zu messen. Als Teil der Folgeuntersuchungen lokalisierten Wellenmodelle, die von Forschenden am AEI in Potsdam entwickelt wurden, die Quelle am Himmel in einer Fläche von 60 Quadratgrad und identifizierten sie als ein Paar einander umrundender schwarzer Löcher mit 31-, beziehungsweise 25-mal der Masse unserer Sonne.

Mitglieder der Abteilung am AEI in Potsdam haben Wellenformmodelle vervollständigt, um weitere physikalische Effekte zu berücksichtigen, darunter exzentrische Umlaufbahnen und Gezeitenkräfte bei Neutronensternen. Das Ziel ist, bei zukünftigen Beobachtungen die Entstehung solcher Doppelsternsysteme und Materie bei extremen Bedingungen besser zu verstehen.

LIGO und Virgo
LIGO wird von der NSF finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die das Projekt konzipierten und bauten. Finanzielle Unterstützung für das Advanced-LIGO-Projekt kam hauptsächlich von der NSF, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council) signifikantes Engagement und Beiträge leisteten. Mehr als 1200 Forschende aus aller Welt sind durch die LIGO Scientific Collaboration, die die GEO-Kollaboration beinhaltet, an der Unternehmung beteiligt. Zusätzliche Partner sind auf http://ligo.org/partners.php verzeichnet. Die Virgo-Kollaboration besteht aus mehr als 280 Physiker*innen und Ingenieur*innen aus 20 verschiedenen europäischen Forschungsgruppen: 6 vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, 8 vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien; 2 in den Niederlanden bei Nikhef; das MTA Wigner RCP in Ungarn; die POLGRAW-Gruppe in Polen; Spanien mit der Universität von Valencia; und EGO, die Dacheinrichtung des Virgo-Detektors nahe Pisa in Italien.


Simulation von GW170814, der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern
Der Film 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.
© Numerisch-relativistische Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes Project; Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), R. Haas (NCSA)

Kontakt
Dr. Benjamin Knispel
Referent für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Hannover
benjamin.knispel@aei.mpg.de
0511-762-19104

Dr. Elke Müller
Referentin für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Potsdam
elke.mueller@aei.mpg.de
0331-567-7303

Weiterführende Links: