GRAVITATIONSWELLEN
Neuer Beobachtungslauf beginnt
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (AEI)
astronews.com
1. Dezember 2016

Die LIGO-Detektoren in den USA, mit denen im vergangenen Jahr erstmals Gravitationswellen direkt nachgewiesen werden konnten, haben mit ihrem zweiten Beobachtungslauf begonnen. Wegen der erhöhten Empfindlichkeit erwarten die beteiligten Wissenschaftler noch deutlich mehr verdächtige Signale. Im kommenden Jahr wird zudem auch ein italienischer Detektor mit Messungen beginnen. 

Gravitationswellen, die von zwei einander umkreisenden Neutronensternen erzeugt werden.  Bild: R. Hurt/Caltech-JPL  [Großansicht]

Gestern starteten die Gravitationswellen-Detektoren Advanced LIGO (aLIGO) in den USA und GEO600 in der Nähe von Hannover offiziell ihren zweiten Beobachtungslauf "O2". Die Empfindlichkeit von aLIGO ist dabei besser als bei der ersten Beobachtungskampagne (O1), bei der Gravitationswellen von zwei Paaren kollidierender Schwarzer Löcher beobachtet wurden.

Die Forschenden der LIGO Scientific Collaboration am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover und Potsdam haben die Datenanalysewerkzeuge, die Modellierung der Quellen und die Detektortechnologie weiter verbessert. Sie sind maßgebliche Partner in der internationalen Kollaboration und erwarten, dass weitere Signale in O2 nachgewiesen werden.

"Wir haben die vergangenen Monate genutzt, um uns auf den nächsten aLIGO-Beobachtungslauf sehr gut vorzubereiten. Wir haben unsere Wellenformmodelle verbessert, unsere Suchmethoden beschleunigt, unsere Rechenleistung erhöht und unseren eigenen Gravitationswellendetektor empfindlicher gemacht. Mit anderen Worten: Wir sind bereit dafür, uns wieder von der Natur überraschen zu lassen", sagen Bruce Allen, Alessandra Buonnano und Karsten Danzmann, die dem AEI in Hannover und Potsdam vorstehen.

Die aLIGO-Detektoren haben mit der Datenaufnahme im O2-Lauf begonnen, nachdem in den letzten Wochen experimentelle Probeläufe durchgeführt wurden. Diese dienten der Feinabstimmung der Messinstrumente und der Datenerfassungsprozesse. aLIGO ist nun empfindlicher als je zuvor: die Detektoren sind in der Lage, Signale aus einer 20 Prozent größeren Entfernung zu detektieren als im letzten O1–Lauf, welches zu einer etwa 75 Prozent größeren Detektionsrate führen sollte. O2 dauert insgesamt sechs Monate (bis Mai 2017) und könnte zur Entdeckung von bis zu einem halben Dutzend Signalen von Verschmelzungen binärer Schwarzer Löcher sowie anderer Gravitationswellensignale führen. Der italienisch-französische Detektor Advanced Virgo soll in der zweiten Hälfte von O2 ebenfalls Daten aufnehmen.

Der GEO600-Gravitationswellendetektor bei Hannover wird zusammen mit den Advanced LIGO-Detektoren und (in der zweiten Hälfte von O2) mit Advanced Virgo an O2 teilnehmen. Viele wichtige Detektortechnologien wurden bei GEO600 entwickelt und getestet, die nun in beiden LIGO-Geräten zum Einsatz kommen und ihre bisher unerreichte Empfindlichkeit ermöglichen.

Dazu gehören Hochleistungslasersysteme und die monolithischen Spiegelaufhängungen zur seismischen Isolierung. Das britisch-deutsche Experiment GEO600 ist derzeit der einzige Detektor weltweit, der kontinuierlich beobachtet und dabei nicht-klassisches (gequetschtes) Licht einsetzt, um seine Empfindlichkeit am oberen Ende des Frequenzspektrums von Gravitationswellen weiter zu verbessern.

In den nächsten Monaten ist eine der Hauptaufgaben bei GEO600 die Weiterentwicklung von Verfahren zur Erzeugung und Handhabung von gequetschtem Licht für zukünftige Detektorgenerationen, insbesondere durch die Verringerung der optischen Verluste.

Am AEI Hannover wird ein großes Team unterschiedlicher Datenanalysten nach verschiedenen Gravitationswellensignalen suchen: Bereits während der Datenaufnahme sucht man in Echtzeit nach Verschmelzungen von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen sowie nach Gravitationswellenausbrüchen, wie sie etwa bei Supernova-Explosionen vorkommen. An diese Echtzeit-Suchen schließen sich komplexere und tiefergehende Analysen an.

Die Untersuchungen werden auf "Atlas" am AEI in Hannover durchgeführt, dem weltweit größten Supercomputer für die Gravitationswellen-Datenanalyse. Atlas stellt mehr als 40 Prozent der gesamten Rechenleistung für die LIGO Scientific Collaboration bereit. Vor kurzem wurde Atlas um zehntausend neue CPU-Kerne erweitert, was seine Rechenleistung etwa verdoppelt. Andere AEI-Forscher betreiben das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home, das nach Gravitationswellen schnell rotierender Neutronensterne sucht. Einstein@Home wird die O2-Daten bald nach Ende des Beobachtungslaufs analysieren.

Vor O2 haben Forschende am AEI in Potsdam die Fähigkeiten der aLIGO-Detektoren verbessert, Parameter der Gravitationswellenquellen zu beobachten und abzuschätzen. Für die Suche nach Verschmelzungen binärer Schwarzer Löcher haben sie ihre Wellenformmodelle verfeinert. Dabei nutzten sie eine Synergie zwischen numerischen und analytischen Lösungen der Einsteinschen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Sie kalibrierten analytische Näherungslösungen (die fast augenblicklich berechnet werden können) mit präzisen numerischen Lösungen (die auch auf leistungsfähigen Computern sehr lange dauern). Dies ermöglicht es den AEI-Forschern, die verfügbare Rechenleistung effektiver zu nutzen, schneller zu suchen, mehr potenzielle Signale verschmelzender Schwarzer Löcher in O2 zu entdecken und ihre Quellen zu bestimmen.

AEI-Forscher haben auch Simulationen von Verschmelzungen binärer Neutronensterne und Bosonensterne durchgeführt. Bei diesen können gleichzeitig elektromagnetische Strahlung und Gravitationswellen beobachtet werden, und sie können für neue präzise Tests der Einsteinschen Relativitätstheorie genutzt werden.