LIGO beobachtet ein drittes Gravitationswellensignal

01. Juni 2017

Ergebnisse bestätigen bislang unbekannte Population schwarzer Löcher


Blick in das Zentralgebäude des Gravitationswellen-Detektors GEO600. Die einzigartige Quetschlichtquelle befindet sich hier mittig am unteren Bildrand.
© H. Grote/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik


GW170104 in Daten der beiden LIGO-Instrumente. Die Daten des Livingston-Detektors wurden um 3 ms zurückverschoben, um die Himmelsposition der Quelle zu berücksichtigen und das Vorzeichen der Amplitude wurde umgekehrt, um Orientierung der Detektoren zu kompensieren. Die wahrscheinlichste Wellenform für die Verschmelzung schwarzer Löcher gemäß des am AEI Potsdam entwickelten Modells ist die schwarze Kurve. Die untere Abbildungshälfte zeigt das nach Abzug des Modells verbleibenden Detektorrauschen.
© LIGO/PRL


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


Bild aus einer numerischen Simulation des Gravitationswellen-Ereignisses GW170104, das durch die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher erzeugt wurde. Die Stärke der Gravitationswelle wird sowohl durch die Höhe als auch die Farbe angezeigt, wobei blau schwache Felder und das gelb starke Felder anzeigt. Die Schwarzen Löcher wurden um den Faktor 2 vergrößert, um die Sichtbarkeit zu verbessern.
© 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)


Das Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) hat zum dritten Mal Gravitationswellen – Kräuselungen von Raum und Zeit – nachgewiesen und zeigt damit, dass nun ein neues astronomisches Beobachtungsfenster weit geöffnet ist. Wie bei den ersten beiden Nachweisen entstanden die beobachteten Wellen bei der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern zu einem größeren schwarzen Loch. Das Signal wurde zuerst am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover gesehen. Forschende am AEI in Potsdam und Hannover und an der Leibniz Universität Hannover haben wichtige Beiträge auf mehreren Schlüsselgebieten geleistet: hochpräzise Wellenformmodelle zur Entdeckung des Signals und um astrophysikalische Informationen daraus zu gewinnen, effiziente Datenanalyse-Methoden und ihre Implementierung auf leistungsfähigen Großrechnern sowie fortschrittliche Detektortechnologie. Der Nachweis ermöglicht es, die Anzahl verschmelzender schwarzer Löcher im Universum besser schätzen zu können. Darüber hinaus stimmt er vollkommen mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie überein.

Diese neueste Entdeckung verstärkt das wissenschaftliche Fundament für eine neue Klasse von Paaren schwarzer Löcher, deren Massen größer sind als diejenigen, die vor LIGO bekannt waren. Das neuentdeckte schwarze Loch, das bei der Verschmelzung des Paars entstand hat eine Masse, die der 49-fachen unserer Sonne entspricht. Damit füllt es die Lücke zwischen den beiden zuvor von LIGO beobachteten verschmolzenen schwarzen Löchern mit 62 beziehungsweise 21 Sonnenmassen.

Die LIGO Scientific Collaboration (LSC) veröffentlichte die Ergebnisse in Physical Review Letters. Am 4. Januar 2017 um 11:11:58,6 MEZ beobachteten beide LIGO-Instrumente eine Gravitationswelle, die den Namen GW170104 erhielt. Die Welle erreichte den Hanford-Detektor 3 Millisekunden früher als den Livingston-Detektor – ein Effekt, der durch die Himmelsposition der Quelle zustande kommt.

Detaillierte Untersuchungen zeigten, dass die Gravitationswelle bei der Kollision und Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern mit 31 beziehungsweise 19 Sonnenmassen entstand. „Mit einem weiteren solchen Ereignis erkennen wir, dass massereiche Doppelsysteme schwarzer Löcher häufiger sind als wir noch vor etwas mehr als einem Jahr annahmen. Wir werden noch viel Neues erfahren – dies ist eine aufregende Zeit für das neue Zeitalter der Gravitationswellen-Astrophysik!“ sagen Bruce Allen, Alessandra Buonanno, DirektorInnen 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.

Das Gravitationswellensignal von GW170104 ließ sich für rund 920 Millisekunden im Beobachtungsband von LIGO zwischen 20 Hertz und 265 Hertz verfolgen und durchlief dabei 29 Gravitationswellenzyklen. Die schwarzen Löcher verschmolzen bei einer Gravitationswellenfrequenz von rund 172 Hertz. Das Signal war schwächer als das erste von LIGO im September 2015 beobachtete, weil die Massen der schwarzen Löcher geringer waren und weil sich die Verschmelzung in einer Entfernung von rund 3 Milliarden Lichtjahre ereignete – doppelt so weit entfernt wie die erste.

Datenanalyse-Methoden und Rechenleistung spüren GW170104 auf
Der erste Nachweis von GW170104 wurde durch eine sorgfältige Analyse von Dr. Alexander Nitz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI Hannover, ermöglicht. Während das LIGO-Datenanalyse-System normalerweise automatische Benachrichtigungen für Signalkandidaten erzeugt, passierte dies nicht am 4. Januar 2017 – der Grund war eine fehlerhafte Einstellung am Hanford-Instrument. Nitz inspizierte an diesem Tag Kandidaten, die ein Analysesystem nahezu in Echtzeit identifizierte, das er am AEI entwickelt hatte. Er stieß dabei auf ein vielversprechendes Signal in den Daten des Livingston-Detektors. Weitere Untersuchungen zeigten ein entsprechendes Signal in den Daten des Hanford-Instruments. „Ich bin stolz, dass wie beim ersten direkten Nachweis auch dieses neue Signal am AEI in Hannover gefunden wurde“, sagt Bruce Allen, geschäftsführender Direktor des AEI und Honorarprofessor an der Leibniz Universität Hannover. „Weil für GW170104 keine automatische Benachrichtigung erzeugt wurde, ist das für das neue Ereignis noch bedeutsamer als es im September 2015 war.“

Mitglieder der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ am AEI Hannover 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 GW170104 und dessen Parameter zu bestimmen. Außerdem trug der Großrechner Atlas, den die Abteilung betreibt, rund 50% der Rechenleistung für die Datenanalyse bei.

Matched-Filter-Analysen und Wellenformmodelle entscheidend für die Entdeckung und das Verständnis von GW170104
Forschende der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI in Potsdam spielten eine führende Rolle im Design der sogenannten Matched-Filter-Analyse und dabei, GW170104 zu verstehen. Basierend auf der erfolgreichen Synergie von analytischen und numerisch-relativistischen Methoden zur Lösung der Einsteingleichungen entwickelten sie im Jahr 2016 eine noch präzisere Familie von Wellenformfiltern für Verschmelzungen binärer schwarzer Löcher. Diese kam in LIGOs zweitem Beobachtungslauf O2 zum Einsatz und fand GW170104 in den Detektordaten. Außerdem wurde der Hochleistungscomputercluster Vulcan am AEI in Potsdam eingesetzt, um die statistische Signifikanz von GW170104 zu ermitteln und damit dessen astrophysikalischen Ursprung sicher zu bestätigen.

Forschende in Potsdam erstellten Methoden zur Folgeanalyse und wendeten ihre Wellenformmodelle an, um die astrophysikalischen Eigenschaften von GW170104 zu bestimmen. Zum ersten Mal fanden sie Hinweise darauf, dass bei mindestens einem der schwarzen Löcher die Rotationsachse nicht senkrecht zur Bahnebene steht, was für bestimmte Modelle der Entstehung des Binärsystems spricht. Die Forschenden waren außerdem daran beteiligt, Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie durchzuführen, die bestätigen, dass die Ausbreitungseigenschaften von GW170104 konsistent mit Einsteins Vorhersagen sind.

„Die Beobachtung und Interpretation von einem weiteren LIGO-Signal, GW170104, unterstreichen den Erfolg unseres theoretischen Programms, Doppelsysteme schwarzer Löcher allgemein relativistisch zu modellieren, indem wir das Beste von zwei Welten vereinen: schnelle, aber näherungsweise analytische Techniken mit exakten aber zeitaufwändigen numerischen Simulationen“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI in Potsdam und College Park-Professorin an der University of Maryland.

Mit GEO600 Detektortechnologie entwickeln und testen
Forschende der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität zusammen mit Kollegen aus Großbritannien entwickelten und betreiben den Gravitationswellen-Detektor GEO600 20 Kilometer südlich von Hannover. GEO600 ist und war stets ein Entwicklungszentrum und Prüfstand für neuartige Detektortechnologien. Viele Schlüsseltechnologien, die die nie zuvor erreichte Empfindlichkeit von LIGO und dessen Entdeckungen ermöglichen, wurden bei GEO600 entwickelt und getestet. AEI-Forschende zusammen mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. entwickelten, bauten und installierten auch die Hochleistungslaser der LIGO-Instrumente.

„Während GEO600 zusammen mit den LIGO-Detektoren wissenschaftliche Daten aufnimmt, sind unsere Forschenden außerdem damit beschäftigt, die Quetschlichtquelle von GEO600 zu verbessern“, sagt Karsten Danzmann. GEO600 ist der einzige Gravitationswellen-Detektor weltweit, der Quetschlicht einsetzt, um fundamentales Quantenrauschen zu unterdrücken und die Empfindlichkeit bei hohen Frequenzen zu verbessern. Diese höhere Empfindlichkeit ist von besonderer Bedeutung für den Nachweis und die Analyse von Ereignissen wie den mit Spannung erwarteten Verschmelzungen von Neutronensternpaaren. „Zukünftig werden alle irdischen Gravitationswellen-Detektoren Quetschlichtquellen ähnlich der, die wir bei GEO600 entwickeln und derzeit perfektionieren, verwenden“, erklärt Danzmann.

Im Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie
Das Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie begann am 14. September 2015 mit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen durch die beiden LIGO-Instrumente. Im ersten Beobachtungslauf O1 identifizierten Forschende zwei Signale, genannt GW150914 und GW151226, beide von Paaren verschmelzender schwarzer Löcher. Seit dem 30. November 2016 messen beide LIGO-Detektoren zusammen mit dem GEO600-Detektor nahe Hannover bei höherer Empfindlichkeit im zweiten Beobachtungslauf O2. Die verbesserte Empfindlichkeit wurde durch eine erhöhte Laserleistung am Hanford-Detektor und eine Verminderung von Streulicht im Livingston-Detektor erreicht.

GW170104 ist das erste veröffentlichte Gravitationswellensignal von sechs Kandidatensignalen, die von Echtzeitanalysen in O2 aufgespürt wurden. Alle diese Kandidaten könnten echte Gravitationswellen sein und ihre Entdeckung wurde Astronomen anderer Fachgebiete mitgeteilt, die nach elektromagnetischen Signaturen der sechs Kandidaten suchen.

Der Beobachtungslauf O2 wird bis August 2017 andauern. Ihm werden weitere Verbesserungen der LIGO-Instrumente folgen. Der dritte Beobachtungslauf O3 mit nie zuvor erreichter Empfindlichkeit soll in der zweiten Hälfte des Jahrs 2017 beginnen.

LIGO
Das LIGO Laboratory ist von der National Science Foundation (NSF) finanziert und wird von Caltech und MIT betrieben, die das Observatorium konzipierten und bauten. Die NSF führte die finanzielle Unterstützung für das Advanced-LIGO-Projekt an und Deutschland (MPG), Großbritannien (STFC) und Australien (ARC) haben signifikante Verpflichtungen und Beiträge zum Projekt geleistet. Mehr als 1000 Forschende aus aller Welt sind durch die LIGO Scientific Collaboration, die die GEO-Kollaboration beinhaltet, an der Unternehmung beteiligt. LIGO arbeitet mit der Virgo-Kollaboration zusammen, die durch das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), das Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) und Nikhef sowie Virgos Dachinstitution, das European Gravitational Observatory, einem Konsortium mit mehr als 280 weiteren Forschenden in Europa, unterstützt wird. Zusätzliche Partner sind auf  http://ligo.org/partners.php verzeichnet.


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-Golm
elke.mueller@aei.mpg.de
0331-567-7303

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