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GRAVITATIONSWELLEN
Das Signal kollidierender Neutronensterne
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Jena
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20. Mai 2015

Mit immer komplexeren Detektoren bemühen sich Wissenschaftler weltweit um den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen. Deren Existenz war vor 100 Jahren von Albert Einstein vorhergesagt worden. Für eine erfolgreiche Suche muss man aber auch wissen, nach was für einem Signal man fahnden muss. Jetzt wurde dies für die Kollision zweier Neutronensterne genau berechnet.

Gravitationswelle

Das von den Jenaer Physikern und ihren Kooperationspartnern vorhergesagte Gravitationswellensignal (oben) und Momentaufnahme der Kollision zweier Neutronensterne (unten). Bild: TPI / FSU, AG Brügmann [Gesamtansicht]

Genau 100 Jahre ist es her, dass Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie Raum und Zeit "erschütterte": Jede bewegte Masse, jeder Stern oder jede Galaxie - so Einsteins Theorie - bringt die sie umgebende Welt ins Wanken. Wie eine elastische Folie wird die sogenannte Raumzeit durch die Bewegungen der Himmelskörper verformt und gerät dabei selbst in Schwingungen.

Diese Erschütterungen setzen sich mit Lichtgeschwindigkeit als Gravitationswellen in alle Richtungen fort und müssten sich auch von der Erde aus messen lassen. Doch, obwohl Einsteins Theorie unstrittig und die Gravitationswellen seit einem Jahrhundert vorhergesagt sind, wartet die Wissenschaftsgemeinde noch immer darauf, diese Wellen im Universum direkt zu messen.

In diesem Jahr sollen mit dem LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) in den USA und dem VIRGO-Interferometer in Italien zwei Detektoren für Gravitationswellen der neusten Generation ihre Arbeit aufnehmen (astronews.com berichtete). Doch ob sie endlich das ersehnte Gravitationswellensignal empfangen, ist nicht nur eine Frage immer empfindlicherer Messtechnik.

"Wir brauchen auch möglichst präzise Vorhersagen, wie die Wellen physikalisch aussehen, nach denen wir fahnden", erklärt Prof. Dr. Bernd Brügmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. "Nur so lassen sich die Signale mit ihrer äußerst geringen Amplitude aus dem allgemeinen Rauschen herausfiltern." Nachwuchswissenschaftlern in Brügmanns Team sind jetzt genau solche Vorhersagen gelungen: Dr. Sebastiano Bernuzzi und Tim Dietrich stellten jetzt die bislang genaueste theoretische Beschreibung eines Gravitationswellensignals vor, das von zwei Neutronensternen ausgeht, die miteinander kollidieren.

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Gemeinsam mit ihren Fachkollegen Alessandro Nagar und Thibault Damour aus Frankreich haben sie dafür ein analytisches Modell weiterentwickelt, das die Bewegung eines Systems aus zwei Körpern und die dabei entstehenden Gravitationswellen beschreibt. Auf diese Weise lässt sich die Berechnung des Gravitationswellensignales deutlich vereinfachen.

"Der Rechenaufwand verringert sich um ein Vielfaches", macht Dietrich deutlich. Anstatt Monate auf das Ergebnis einer einzigen Simulation zu warten, die nur auf den weltweit größten Supercomputern durchgeführt werden können, schafft ein normaler PC die Berechnung binnen Sekunden.

Dank dieses Ansatzes ist es den Forschern möglich, präzise Angaben zu Energie und Wellenform der Signale zu machen, die bei der Kollision von zwei Neutronensternen zu erwarten sind, und so die Auswertung der mit den neuen Detektoren aufgezeichneten Signale wesentlich zu vereinfachen. Wann der erhoffte Nachweis von Gravitationswellen tatsächlich gelingt, dazu ist freilich keine Vorhersage möglich.

Die jetzt vorgestellte Arbeit ist im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio 7 "Gravitationswellenastronomie" entstanden und wurde maßgeblich von der Arbeitsgruppe "Numerische Relativitätstheorie" unter der Leitung von Brügmann vorangetrieben. Über die Untersuchung berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.

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siehe auch
Gravitationswellen: Neuer Detektor aLIGO wird eingeweiht - 18. Mai 2015
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Universität Jena
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