Ein erster Katalog kosmischer Kollisionen

Aus den Daten der ersten zwei Beobachtungsläufe von LIGO haben Wissenschaftler einen ersten Katalog kosmischer Kollisionen erstellt. Der Katalog beinhaltet Gravitationswellensignale von zehn Paaren verschmelzender Schwarzer Löcher und einem Paar Neutronensterne.

Ein Artikel von Magdalena Kersting und Jens Kube

Nach der ersten direkten Beobachtung eines Gravitationswellensignals im Herbst 2015 gelangen in den folgenden Jahren zahlreiche weitere Nachweise von Gravitationswellen. Aus diesen Daten haben Wissenschaftler einen Katalog kosmischer Kollisionen erstellt. Der Katalog GWTC-1 (engl. “Gravitational-Wave Transient Catalog”) beinhaltet Gravitationswellensignale von zehn Paaren verschmelzender Schwarzer Löcher und einem Paar Neutronensterne, die die LIGO- und Virgo-Detektoren während ihrer ersten beiden Beobachtungsläufe aufgefangen haben. Die Beobachtungen haben enormes wissenschaftliches Potenzial und motivieren Forscher weltweit, tiefer ins All zu lauschen.

Schwingungen der Raumzeit

Die Gravitationswellenastronomie ist ein noch junges Forschungsfeld, das Wissenschaftlern Einblicke in kosmische Regionen ermöglicht, die herkömmlichen Teleskopen unzugänglich sind. Verschmelzen massereiche Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne, verzerren sie die Struktur von Raum und Zeit. Es entstehen Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum ausbreiten. Sie erlauben Rückschlüsse auf die Entwicklung von Sternen. Zudem helfen die Messungen, die Allgemeine Relativitätstheorie zu testen.

Seit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 haben Experten weltweit, darunter auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) mit seinen Standorten in Hannover und Potsdam, zusammengearbeitet, um weitere Signale aufzufangen. Dabei helfen den Forschern nicht nur verbesserte Messinstrumente und präzise Modelle der astronomischen Prozesse, sondern auch moderne Datenverarbeitungsmethoden und -software. Durch Einsatz ausgeklügelter Algorithmen konnten die Forscher so sogar vier neue Signale verschmelzender Schwarzer Löcher aufspüren.

Klassifizierung kosmischer Kollisionen

Die Form der Gravitationswellensignale, die Detektoren auf der Erde registrieren, enthält sowohl Informationen über physikalische Eigenschaften der verschmelzenden Objekte als auch über deren Position am Himmel. Viele wissenschaftliche Erkenntnisse lassen sich allerdings nur durch die Kombination von Informationen aus mehreren Beobachtungen gewinnen: Die Gravitationswellen, die bislang beobachtet wurden, entstehen durch die Kollision Schwarzer Löcher (bzw. von zwei Neutronensternen in einem Fall). Letztere Art von Ereignisse wurde zuvor nie direkt beobachtet, sondern lediglich theoretisch vorhergesagt. Mit jedem neuen Nachweis eines Signals gewinnen Wissenschaftler deshalb wertvolle Erkenntnisse über die Häufigkeit und die Eigenschaften solcher verschmelzender Doppelsysteme.

Zur systematischen Klassifizierung dieser Doppelsysteme haben Wissenschaftler einen Katalog der Messungen aus den ersten beiden Beobachtungsläufen der LIGO- und Virgo-Detektoren zusammengestellt. Er umfasst die Verschmelzungen von zehn Paaren Schwarzer Löcher sowie eines Neutronensternpaars. Für Astrophysiker besonders aufschlussreich ist das Massenspektrum Schwarzer Löcher (also wie häufig welche Massen vorkommen), die Verschmelzung von Neutronensternen und Signale, die von drei Detektoren genau am Himmel lokalisiert werden.

Visualisierung der 11 verschmelzenden Objekte, die im ersten Gravitationswellenkatalog publiziert wurden. Die Lage der Kreise im Diagramm deutet an, wie massereich (in Sonnenmassen) die Objekte sind. Die Pfeile verbinden jeweils die beiden Ausgangsobjekte mit dem Ergebnis der Verschmelzung. Die Kreise ohne Pfeile stellen die bisher beobachteten einzelnen Objekte des gleichen Typs (lila: Schwarze Löcher, gelb: Neutronensterne) dar. <br/>Quelle: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky

Visualisierung der 11 verschmelzenden Objekte, die im ersten Gravitationswellenkatalog publiziert wurden. Die Lage der Kreise im Diagramm deutet an, wie massereich (in Sonnenmassen) die Objekte sind. Die Pfeile verbinden jeweils die beiden Ausgangsobjekte mit dem Ergebnis der Verschmelzung. Die Kreise ohne Pfeile stellen die bisher beobachteten einzelnen Objekte des gleichen Typs (lila: Schwarze Löcher, gelb: Neutronensterne) dar.
Quelle: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky

Überraschend schwere Schwarze Löcher

Ein Höhepunkt aus den zwei Testläufen stellt das Ereignis GW170729 dar, das während des zweiten Beobachtungslaufs gemessen und erst nachträglich identifiziert wurde. GW170729 ist das am weitesten entfernte bislang beobachtete Gravitationssignal. Die Gravitationswellen waren etwa 5 Milliarden Jahre unterwegs, bevor sie die Erde erreichten. Das Signal ist auch deshalb einzigartig, weil es mit zwei Schwarzen Löchern von 50 und 34 Sonnenmassen die massereichste bisher beobachtete Verschmelzung darstellt.

Die meisten von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher sind mit mehreren Dutzend Sonnenmassen deutlich massereicher als die bisher bekannten Schwarzen Löcher, die Forscher durch elektromagnetische Signale indirekt erfasst hatten. Die Beobachtung solcher Doppelsysteme war deshalb zunächst für viele eine Überraschung. Doppelsysteme Schwarzer Löcher sind oft die letzte Stufe in der Entwicklung massereicher Sterne. Dass die beteiligten Schwarzen Löcher schwerer sind als vorhergesagt, deutet darauf hin, dass sich die ursprünglichen Sterne in einer Umgebung bildeten, die sich stark von der unserer Sonne unterscheidet. Um genau zu verstehen, wie und wo Paare solch schwerer Schwarzer Löcher entstanden sind, warten Wissenschaftler auf weiteren Beobachtungen solcher Doppelsysteme in den nächsten Jahren.

Materie unter extremen Bedingungen

Am anderen Ende des Massespektrums wird Signal GW170817 eingeordnet: Es ist das bisher einzige nachgewiesene Ereignis zweier verschmelzender Neutronensterne. Um die Verschmelzung eines Neutronensternpaars nachzuweisen, brauchen Wissenschaftler etwas Glück: Da Neutronensterne leichter sind als Schwarze Löcher, entstehen während einer Kollision schwächere Gravitationswellen, die entsprechend ein schwächeres Signal in den Daten erzeugen und somit schwieriger nachzuweisen sind. Die beiden Neutronensterne von GW170817 kollidierten vor unserer kosmischen Haustür in einer Galaxie mit nur 130 Millionen Lichtjahren Entfernt und konnten deshalb registriert werden.

Die Zusammensetzung und das Verhalten von Neutronensternen sind im Detail noch weitgehend unbekannt. Messungen an diesen Sternüberresten versprechen deshalb neue Einblicke in die Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen. Nicht zuletzt können Neutronensterne auch mit herkömmlichen Teleskopen beobachtet werden, denn sie senden im Gegensatz zu Schwarzen Löchern auch elektromagnetische Wellen aus. Die kombinierte Messung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Wellen eröffnet spannende neue Möglichkeiten in der Multi-Messenger-Astronomie, in der Objekte gleichzeitig durch verschiedene Formen der Strahlung oder andere kosmische Boten beobachtet werden: im elektromagnetischen Spektrum von den Radiowellen bis hin zu den Gammastrahlen, durch Neutrinos (wie bei der Supernova SN1987A), aber eben seit 2015 auch mit Gravitationswellen.

Eine der großen Herausforderungen der Multi-Messenger-Astronomie ist es, Teleskope für elektromagnetische Wellen (also etwa Radioteleskope oder optische Teleskope) schnell auf verschmelzende Doppelsysteme richten zu können, die sich durch Gravitationswellen verraten. Um Folgebeobachtungen durchführen zu können, müssen Wissenschaftler dazu die Quellen der Gravitationswellen möglichst schnell und möglichst genau lokalisieren. Wenn eine Gravitationswelle die Erde erreicht, trifft das Signal die verschiedenen Detektoren zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten. Diese Zeitdifferenz erlaubt Rückschlüsse auf die Richtung, aus der das Signal kam, etwa genau so, wie wir Menschen mit zwei Ohren aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit akustischer Wellen auf die Richtung eines Schallereignisses schließen können. Im Universum reichen allerdings nicht zwei Ohren, da diese vereinfacht gesagt nur die Orientierung in einer Eben erlauben und die zweite Dimension – die „Höhe“ eines Geräuschs – nur indirekt und ungenau Orten können. Erst mit drei Gravitationswellendetektoren ist die Richtung in zwei Dimensionen gut zu bestimmen.

Das Signal GW170814 markiert das erste Ereignis, das von drei Detektoren gemessen wurde. Durch dieses Zusammenspiel stellt GW170814 damit die im Katalog am genausten lokalisierte Verschmelzung Schwarzer Löcher dar: auf 39 Quadratgrat (195-mal die scheinbare Größe des Vollmonds) in der nördlichen Himmelshalbkugel konnte die Position bestimmt werden. Das ist zwar immer noch ein großes mögliches Areal, aber für Nachfolgebeobachtungen zumindest in einigen Wellenlängenbereichen einigermaßen handhabbar.

Woher kommen die Signale aus dem GWTC-1? Die langgestreckten Konturen geben an, aus welcher Region mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% (innerer Bereich) bzw. 90% (äußerer Bereich) die Gravitationswellen kommen. Bei GW170814, GW170817 und GW170818 sind diese Bereiche deutlich kleiner als bei den anderen Ereignissen: Hier erfolgte der Nachweis durch die beiden LIGO-Detektoren und durch Virgo. <br/>Quelle: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. X 9, 031040

Woher kommen die Signale aus dem GWTC-1? Die langgestreckten Konturen geben an, aus welcher Region mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% (innerer Bereich) bzw. 90% (äußerer Bereich) die Gravitationswellen kommen. Bei GW170814, GW170817 und GW170818 sind diese Bereiche deutlich kleiner als bei den anderen Ereignissen: Hier erfolgte der Nachweis durch die beiden LIGO-Detektoren und durch Virgo.
Quelle: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. X 9, 031040

Gequetschtes Licht reduziert Quantenrauschen

Die Veröffentlichung des Gravitationswellenkatalogs ist ein Beispiel für die enge Zusammenarbeit von Experten weltweit. Um die schwachen Gravitationswellensignale aus dem Rauschen der Messdaten herausfiltern zu können, müssen Astronomen, Detektorphysiker und Datenwissenschaftler ihre Kompetenzen bündeln.

Insbesondere eine Schlüsseltechnologie, für die der deutsche Gravitationswellendetektor GEO600 Pionierarbeit geleistet hat, verspricht neue Durchbrüche. Das Verfahren des sogenannten gequetschten Lichts stellt eine technische Neuerung dar, um Quantenrauschen zu reduzieren. Quantenrauschen entsteht durch zufällige Fluktuationen von Photonen, welche zu einer natürlichen Unsicherheit bei Messungen führen. Durch das Quetschen von Licht manipulieren Wissenschaftler die Quantenwelt und verschieben Unsicherheiten des Messvorgangs, so dass die relevanten Parameter mit größerer Präzision gemessen werden können.

Dank empfindlicherer Detektoren erhoffen sich Forscher dutzende neue Beobachtungen von Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Doppelsystemen während der dritten Messperiode, die im Frühling 2019 gestartet wurde. In den letzten Jahren hat die Gravitationswellenastronomie gewaltige Fortschritte gemacht. Die Rate, mit der neue Signale in den LIGO- und Virgo-Messdaten auftauchen werden, lässt erwarten, dass die spektakulärsten Funde noch bevorstehen.

Weitere Informationen

Quelle

  • GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs
    B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. X 9, 031040
    https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.031040
Kolophon
Jens Kube

Jens Kube ist Astrophysiker und freier Wissenschaftskommunikator. Seit 2018 ist er Redakteur bei Einstein-online.

Magdalena Kersting

Magdalena Kersting ist Physikdidaktikerin und freie Wissenschaftskommunikatorin.

Zitierung

Zu zitieren als:
Magdalena Kersting und Jens Kube, “Ein erster Katalog kosmischer Kollisionen” in: Einstein Online Band 11 (2019), 11-1101