Erste Beobachtung der Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen

16. Oktober 2017

Entdeckung ist das erste kosmische Ereignis, das sowohl anhand von Gravitationswellen als auch von Licht beobachtet wird


Die schnelle Himmelslokalisierung durch die LIGO-Instrumente von GW170817 (in blau) und die letztendliche Lokalisierung mittels beider LIGO-Instrumente und den Virgo-Detektor (in grün). Die grauen Ringe sind Einschränkungen der Triangulation durch die drei möglichen Detektorpaare.
© LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer (Bild der Milchstraße: Axel Mellinger)

Zum ersten Mal haben Astronom*innen die Gravitationswellen – Kräuselungen der Raumzeit – und das Licht von zwei verschmelzenden Neutronensterne beobachtet. Mit dem Ereignis vom 17. August 2017 um 14:41:04 MESZ beginnt die Multi-Messenger-Astronomie, die Beobachtungen mit Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung kombiniert. Zusammen werden die sich ergänzenden Methoden unser Verständnis von extremen astrophysikalischen Ereignissen erheblich verbessern. Sie bieten eine nie zuvor dagewesene Gelegenheit, den Prozess des Verschmelzens von zwei Neutronensternen einschließlich des Ausgangs zu untersuchen. Forscher*innen vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam und Hannover und von der Leibniz Universität Hannover spielten eine zentrale Rolle bei der Entdeckung.

Entdeckt wurde das Ereignis mit der Bezeichnung GW170817 von den Gravitationswellendetektoren LIGO in den USA und dem europäischen Virgo-Instrument. Anschließend beobachteten rund 70 astronomische Observatorien auf der Erde und im All das elektromagnetische Signal der Neutronensternverschmelzung. Neutronensterne sind die kompakten Überreste von Supernova-Explosionen und bestehen aus extrem dichter Materie. Sie haben einen Durchmesser von rund 20 Kilometern und Massen bis zum zweifachen der unserer Sonne – das entspricht rund 700.000 Erdmassen.
Ein revolutionärer Blick auf verschmelzende Neutronensterne

„Dieser erste Nachweis der Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen ist für sich allein genommen schon extrem spannend, aber die Kombination mit Dutzenden von Folgebeobachtungen im elektromagnetischen Spektrum macht es wirklich revolutionär“, 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 Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Die Identifikation von GW170817 als Doppelsternsystem aus zwei Neutronensternen und Beobachtungen von elektromagnetischer Strahlung nach deren Kollision erlauben Rückschlüsse auf den bislang rätselhaften Ursprung der kurzen Gammastrahlenblitze.“

Die Ergebnisse erscheinen heute in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Weitere Veröffentlichungen der LIGO- und Virgo-Kollaborationen und anderen astronomischen Forschungsgruppen wurden bei Fachzeitschriften eingereicht und sind teils bereits nach der Begutachtung zur Publikation angenommen.

Den Ursprung der Welle finden

Beide LIGO-Detektoren beobachteten GW170817 für rund 100 Sekunden am 17. August 2017. Die Messungen des Virgo-Detektors verbesserten die Himmelslokalisierung signifikant und erlaubten es den Forschenden, den Ursprung der Welle auf einen Himmelsfleck am Südhimmel von nur 28 Quadratgrad (die rund 130-fache scheinbare Größe des Vollmonds) einzuschränken.

Nur 1,7 Sekunden später registrierte der Gamma-ray Burst Monitor an Bord des Fermi Gamma-ray Space Telescope einen Gammastrahlenblitz (GRB 170817A) aus ungefähr der gleichen Richtung wie das Gravitationswellensignal. Dass dieses Zusammentreffen rein zufällig entsteht, ist extrem unwahrscheinlich, so dass beide Ereignisse zweifellos von derselben Quelle stammen.

Die sehr präzise Lokalisierung der LIGO-Virgo-Beobachtung erlaubte es einer Handvoll von Observatorien rund um den Globus nur wenige Stunden später den Himmelsbereich abzusuchen aus dem das Signal kam. Optische Teleskope entdeckten einen neuen Lichtpunkt, ähnlich eines Sterns in der Nähe der Galaxie NGC 4993. Letztendlich beobachteten mehr als 70 Observatorien auf der Erde und im All das Ereignis im Bereich der Röntgenstrahlung, im Ultravioletten, im sichtbaren Licht, im Infraroten und mit Radiowellen.

Diese neuen Beobachtungen weisen auf kürzlich entstandenes Material hin, darunter Gold und Platin, und lösen damit ein Jahrzehnte altes Rätsel um den Ursprung der Hälfte aller Elemente, die schwerer als Eisen sind.

Neutronensterne verformen

Analysen der LIGO-Daten stellten eine relativ geringe Entfernung zur Neutronensternverschmelzung von rund 85 bis 160 Millionen Lichtjahren zur Erde fest, in Übereinstimmung mit den 130 Millionen Lichtjahren zur vermuteten Ursprungsgalaxie NGC 4993. Im Gegensatz zu vorherigen Gravitationswellen-Beobachtungen berechneten die Wissenschaftler*innen die Massen der verschmelzenden Objekte zu 1,1- bis 1,6-mal der unserer Sonne, vergleichbar mit denen bekannter Neutronensterne und nicht in Übereinstimmung mit denen von schwarzen Löchern.

Wie sich Materie in Neutronensternen verhält ist nicht genau bekannt und durch eine unbekannte „Zustandsgleichung“ oder innere Struktur beschrieben. In Abhängigkeit von dieser Gleichung verhält sich die extrem dichte Materie mehr oder weniger steif gegenüber Verformungen. Die Forschenden suchten im Gravitationswellensignal nach Spuren von Verformungen der Neutronensterne, die durch gegenseitige Gezeitenkräfte kurz vor der Verschmelzung entstehen. So konnten sie zeigen, dass bestimmte vorgeschlagene Zustandsgleichungen wahrscheinlich nicht wahr sind.

Die Ausdehnung des Universums mit Gravitationswellen messen

Bernard Schutz, Direktor emeritus am AEI Potsdam, zeigte, dass Gravitationswellensignale von verschmelzenden Neutronensternen sich eignen um die Hubblekonstante auf eine neue und unabhängige Weise zu bestimmen. Durch Kombination der aus der Gravitationswellenmessung erhaltenen Entfernung mit der aus elektromagnetischen Beobachtungen bestimmten kosmologischen Rotverschiebung lässt sich die Ausdehnung des Universums unabhängig von zuvor benutzen Methoden bestimmen. Die Identifikation von NGC 4993 als Ursprungsgalaxie erlaubt so eine neue Art der unabhängigen Bestimmung der Hubblekonstante, die mit vorherigen Ergebnissen übereinstimmt. Zukünftige Beobachtungen ähnlicher Ereignisse werden diese Messung verbessern.

GW170817 beobachten und identifizieren: Ein erster Blick ins Innere eines Neutronensterns


© T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), BAM-Kollaboration
GW170817: Numerisch-relativistische Simulation der Verschmelzung zweier Neutronensterne.
Simulation des ersten kosmischen Ereignisses, das sowohl anhand von Gravitationswellen als auch von Licht beobachtet wurde.

Die Beobachtung und Charakterisierung von minutenlangen Signalen verschmelzender Neutronensterne, die sich im Detektorrauschen verbergen, erfordert sehr präzise Wellenformmodelle. Mitglieder der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativität“ haben Wellenformmodelle entwickelt, die als Vorlagen in den Optimalfilter-Suchen zum Einsatz kamen, die GW170817 entdeckten. Max-Planck-Forscher*innen spielten außerdem eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Durchführung der Suchalgorithmen, die GW170817 beobachteten. Als Mitglieder des Teams, das GW170817 unmittelbar nach der Entdeckung untersuchte, entfernten sie sofort einen lautes, vorübergehendes Störsignal in Daten des LIGO-Livingston-Instruments. Damit konnte die Himmelsposition so genau bestimmt werden, dass Astronom*innen binnen 12 Stunden nach der Entdeckung von GW170817 ein schnell verblassendes Nachglühen im sichtbaren Licht beobachten konnten. Damit bestimmten sie die Ursprungsgalaxie und Rotverschiebung, die zur Messung der Hubblekonstante führte.

Max-Planck-Wissenschaftler*innen haben Analyse-Algorithmen und Wellenformmodelle mitentwickelt und angewandt, um damit die Quelle von GW170817 als Doppelsystem aus Neutronensternen zu identifizieren. Als weitere Erkenntnis sprechen die Resultate gegen die Theorien, die stark abstoßende Kernkräfte annehmen, da diese relativ große und damit leicht verformbare Neutronensterne voraussagen. Analytische Berechnungen als auch numerische Simulationen wurden außerdem in Potsdam angewandt, um modernste Wellenformmodelle zu konstruieren, die schwächere abstoßende Kernkräfte in den Neutronensternen von GW170817 vorhersagen. Max-Planck-Wissenschaftler*innen haben darüber hinaus elektromagnetische Signale untersucht, die durch den Auswurf von Materie bei der Verschmelzung entstanden sind. Diese Signale enthalten Information über die Entstehung schwerer Elemente im Universum.

„In einem Dominoeffekt hat GW170817 eine spektakuläre Sequenz astrophysikalischer Beobachtungen in Gang gesetzt, dabei langjährige Rätsel gelöst und uns andere Rätsel aufgegeben“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI in Potsdam und College Park Professorin an der Universität von Maryland, USA. „Bemerkenswerterweise hat GW170817 uns auch Einblicke in die Natur von ultradichter Materie im Innern der faszinierendsten und extremsten Objekte des Universums erlaubt: Neutronensterne.“

Max-Planck-Forscher*innen in Potsdam analysieren zur Zeit die Übereinstimmung von GW170817 im Vergleich zu einem Neutronenstern-Signal, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt.

Suche und Analyse von GW170817 vom ersten Moment an


© Alex Nitz/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/LIGO
Erste LIGO/Virgo-Beobachtung einer Neutronensternverschmelzung (GW170817)
Dies ist eine Zeit-Frequenz-Darstellung (Spektrogramm) der LIGO-Detektor-Daten, die die LIGO-Hanford- mit den LIGO-Livingston-Daten kohärent kombiniert und die Neutronensternverschmelzung GW170817 zeigt.

Wissenschaftler der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ am AEI in Hannover spielten eine zentrale Rolle in den ersten Stunden der Analyse, sowie bei der Charakterisierung des Gravitationswellensignals und beim Verständnis der Quelle des Signals.

„Ich lag vollkommen daneben. Selbst in meinen wildesten Träumen hatte ich nicht zu hoffen gewagt, dass wir gleichzeitig zur ersten Entdeckung eines Doppelneutronensterns durch Gravitationswellen den entsprechenden Gammastrahlenblitz und die elektromagnetischen Signale nachweisen würden. Ich dachte wir würden so etwas erst nach 20 oder mehr Beobachtungen von der Verschmelzung zweier Neutronensterne sehen, nicht mit der allerersten. Das ist fantastisch!“, sagt Bruce Allen, Direktor am AEI in Hannover.

Forscher*innen am AEI Hannover zusammen mit AEI-Potsdam- und LIGO- Kolleg*innen im Team, das GW170817 unmittelbar nach der Entdeckung untersuchte, entfernten ein instrumentelles Artefakt aus den Daten eines LIGO-Detektors und nutzen in Hannover entwickelte Software, um die Erstellung der ersten präzisen Himmelskarte zu unterstützen. Dies führte zur Entdeckung des optischen Nachglühens der Neutronensternverschmelzung binnen Stunden nach der Gravitationswellenmessung und ermöglichte die Bestimmung der Ursprungsgalaxie, deren Rotverschiebung und einer unabhängigen Messung der Hubblekonstante.

Wissenschaftler*innen am AEI Hannover leiteten und trugen signifikant zur sorgfältigen Datenanalyse bei, die GW170817 mit hoher statistischer Signifikanz identifizierte. Sie arbeiteten im Detektionskomitee mit und arbeiten daran, zu verstehen wie die das sehr schwache Signal in den Virgo-Daten mit der Himmelsposition der Quelle und der Detektorempfindlichkeit übereinstimmt.

Die Forschenden entwickelten und trugen zu den einzigen Wellenformmodellen bei, mit denen Tests auf Verkippungen der Rotationsachsen der Neutronensterne durchgeführt werden können. Sie trugen außerdem zu Modellen bei, die Gezeiteneffekte in den Neutronensterne berücksichtigen. Diese kamen zum Einsatz, um das Verhalten der Neutronensternmaterie zu verstehen. Die Wissenschaftler*innen stellten numerische Simulationen der Verschmelzung bereit und untersuchten mögliche Szenarien für den Sternenrest.

Die Abteilung betreibt Atlas, den weltweit leistungsfähigsten Rechner für die Suche nach Gravitationswellen und detaillierte Folgeuntersuchungen der Signale. Atlas steuerte 58 Millionen CPU-Kernstunden zur Analyse von LIGO- und Virgo-Daten des zweiten Beobachtungslaufs bei.

Forscher*innen der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ trugen außerdem zu mehreren der Begleitveröffentlichungen bei.

Schlüsseltechnologien mit GEO600 entwickeln und testen


© Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/Milde Marketing
GEO600 aus der Luft
Quadrocopter-Flug über das Detektorgelände

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 gleichzeitige 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.

GEO600-Daten werden auch bei der Suche nach dem Sternenrest verwendet, der direkt nach der Verschmelzung entsteht – etwa ein übermassereicher Neutronenstern. Aufgrund der guten Empfindlichkeit des Detektors bei hohen Frequenzen sollte er gut geeignet sein, um die kurzzeitigen schnellen Schwingungen zu messen, die von einem solchen Objekt ausgesendet werden.

„Dies ist der Beginn der Multi-Messenger-Astronomie und eines tieferen Verständnisses unseres Universums. Wir sind sehr stolz darauf, eine zentrale Rolle bei der Messung von Gravitationswellen zu spielen, weil sich unsere im GEO600-Projekt entwickelten und getesteten Laser im Herzen aller Gravitationswellenobservatorien finden“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI in Hannover und am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

LIGO und Virgo

LIGO wird von der NSF finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die LIGO konzipierten und die Initial und Advanced LIGO-Projekte leiteten. 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 Wissenschaftler*innen und etwa 100 Forschungseinrichtungen aus aller Welt sind durch die LIGO Scientific Collaboration – welche die GEO-Kollaboration und die australische OzGrav Collaboration 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 das European Gravitational Observatory EGO, die Dacheinrichtung des Virgo-Detektors nahe Pisa in Italien, gefördert von CNRS, INFN und Nikhef.

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

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