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LIGO
Zweites Gravitationswellen-Signal entdeckt
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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16. Juni 2016

Am zweiten Weihnachtstag haben die beiden LIGO-Detektoren in den USA eine zweite Gravitationswelle gemessen. Das beobachtete Signal stammt von einem Paar verschmelzender Schwarzer Löcher, die mit rund 14 und acht Sonnenmassen kleiner als die zuvor entdeckten sind. Mit dem zweiten Fund hat für die Forscher nun tatsächlich ein neues Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie begonnen.

GW151226

Numerische Simulation des Gravitationswellen-Ereignisses GW151226, das von einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erzeugt wurde. Bild: S. Ossokine , A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) und das Simulating eXtreme Spacetime Project (numerisch-relavistische Simulation), T. Dietrich, R. Haas (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, wissenschaftliche Visualisierung)   [Großansicht]

Gravitationswellen sind eine der wichtigsten Vorhersagen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Sie wurden erstmals am 14. September 2015 durch die beiden identischen LIGO-Detektoren direkt nachgewiesen. Die Messung der zweiten Gravitationswelle auf der Erde wurde gestern offiziell verkündet und von einem Fachjournal zur Veröffentlichung angenommen.

Das Signal wurde in LIGOs erstem Beobachtungslauf "O1" am 26. Dezember 2015 um 4.38.54 Uhr MEZ von beiden LIGO-Instrumenten gemessen und in der Folge GW151226 genannt. Die Welle erreichte den Detektor in Livingston 1,1 Millisekunden vor dem in Hanford. Die zweite Beobachtung GW151226 war deutlich schwächer als die erste GW150914 und war im Rauschen der Detektoren verborgen. Daher war eine sogenannte "matched-filter-Suche" entscheidend für den Nachweis.

Solche Suchen vergleichen (oder filtern) die Daten mit vielen vorab berechneten Signalen (oder "templates") um die beste Übereinstimmung (englisch match) zu finden. Diese "templates" basieren auf den hochpräzisen Wellenformmodellen, die am AEI entwickelt wurden. Sie ermöglichten dem LIGO-Team den Nachweis, dass das Signal von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern stammt.

Nach dem Aufspüren enthüllten Folgeanalysen, für die die Hälfte der Rechenleistung vom AEI bereitgestellt wurde, die astrophysikalischen Eigenschaften des Doppelsystems aus Schwarzen Löchern. Es besteht aus einem Schwarzen Loch mit der 14-fachen Masse unserer Sonne und einem weiteren mit acht Sonnenmassen. Sie verschmolzen in einer Entfernung von rund 1,4 Milliarden Lichtjahren zur Erde. Die Verschmelzung strahlte das Äquivalent von einer Sonnenmasse in Gravitationswellen-Energie ab und hinterließ ein rotierendes Schwarzes Loch mit 21 Sonnenmassen.

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Das aus dem Detektorrauschen extrahierte Signal unterscheidet sich deutlich vom ersten gemessenen Signal. Weil die Massen der Schwarzen Löcher kleiner sind, wurde das Signal von den Instrumenten über einen längeren Zeitraum (rund eine Sekunde) gemessen und damit für rund 27 Umrundungen der Schwarzen Löcher vor der Verschmelzung. (Beim ersten Signal ließen sich nur rund fünf Umrundungen beobachten. Während dieser Zeit nahm die Frequenz der Gravitationswellen von 35 Hz auf 430 Hz zu. Die Maximalamplitude der relativen Längenänderung durch das Signal von 3x10-22 ist etwa dreimal schwächer als die des ersten Signals.

Forschende der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativität am AEI in Potsdam spielten eine führende Rolle bei der Gestaltung der Matched-Filter-Analysen, die GW151226 innerhalb einer Minute nach dessen Ankunft auf der Erde aufspürten und im Folgenden dessen statistische Signifikanz zu mehr als fünf Standardabweichungen berechneten. Diese Suchen benutzen Wellenformmodelle, die am AEI in Potsdam und an der University of Maryland entwickelt wurden.

Max-Planck-Forschende stellten Folgeuntersuchungen an und nutzen die Modelle, um die astrophysikalischen Eigenschaften von GW151226 zu ermitteln. Sie fanden heraus, dass die einzelnen Schwarzen Löcher deutlicher weniger massereich als die von GW150914 waren.

"Es ist fabelhaft, dass unsere Wellenformmodelle dieses schwache, aber so unglaublich wertvolle Gravitationswellen-Signal aus dem Rauschen extrahiert haben!", sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI in Potsdam und Professorin an der University of Maryland. "GW1512226 stimmt perfekt mit unseren theoretischen Vorhersagen dafür überein, wie zwei Schwarze Löcher einander mehrere Dutzend Mal umrunden und schließlich miteinander verschmelzen. Bemerkenswerterweise konnten wir außerdem herausfinden, dass mindestens eines der beiden Schwarzen Löcher sich dreht!"

Max-Planck-Forschende in der "Simulating eXtreme Spacetime"-Arbeitsgemeinschaft haben außerdem numerisch-relativistische Simulationen von Verschmelzungen Schwarzer Löcher mit Eigenschaften wie denen von GW151226 berechnet. Diese stimmten exzellent mit den Wellenformmodellen, die benutzt wurden, um die astrophysikalischen Eigenschaften der Quelle zu ermitteln, über die gesamte Signaldauer überein. Dies bestätigt ebenfalls, dass GW151226 von der Kollision zweier stellarer Schwarzer Löcher im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie erzeugt wurde.

Mitglieder der Abteilung Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie am AEI Hannover entwickelten und implementierten viele der Algorithmen und Software, die zur Analyse der LIGO-Daten genutzt werden. Diese Methoden kamen beispielsweise zum Einsatz, um die statistische Signifikanz von GW151226 zu berechnen und dessen Eigenschaften zu ermitteln. Etwa 50 Prozent der Datenanalyse wurden auf dem Atlas-Supercomputer der Abteilung durchgeführt.

Atlas ist der weltweit leistungsfähigste zur Graviationswellen-Datenanalyse konstruierte Computercluster und hat deutlich mehr Rechenleistung als alle andere Systeme der LIGO- und Virgo-Kollaborationen beigetragen. "Nun müssen auch Skeptiker zugeben, dass unsere erste Messung kein statistischer Zufall war", sagt Bruce Allen, Geschäftsführender Direktor des AEI und Honorarprofessor an der LUH. "Ich bin absolut zuversichtlich, dass wir in den nächsten paar Jahren Dutzende ähnliche Verschmelzungen Schwarzer Löcher beobachten werden und viel über das Universum erfahren werden. Ich bin sehr zufrieden, dass die Datenanalyse-Methoden, die wir in den vergangenen zwanzig Jahren erfunden haben, genau so gut funktionieren wie wir gehofft hatten."

"Mit dieser zweiten Beobachtung sind wir wirklich auf dem Weg zur echten Gravitationswellen-Astronomie. Wir können nun anfangen, eine Vielzahl von Quellen auf der unbekannten dunklen Seite des Universums zu erforschen", sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der LUH. "Nach so vielen Jahren von Forschung, Entwicklung und Vorbereitung ist es sehr befriedigend unsere Vision endlich wahr werden zu sehen."

Der nächste Beobachtungslauf "O2" von Advanced LIGO wird diesen Herbst beginnen und soll etwa sechs Monate lang dauern. Bis dahin sollen weitere Verbesserungen in der Detektorempfindlichkeit es LIGO erlauben ein 1,5- bis 2-mal so großes Volumen des Universums wie bisher zu erreichen. Der Gravitationswellen-Detektor GEO600 bei Hannover wird ebenfalls an dem Beobachtungslauf teilnehmen. Der Virgo-Detektor wird voraussichtlich in der zweiten Hälfte von "O2" dazustoßen.

Über die Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in den Physical Review Letters erscheinen wird.

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siehe auch
LIGO: Erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen - 11. Februar 2016
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
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