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Originalpublikation

LIGO Scientific and Virgo Collaboration

GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2

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Das Ereignis GW170104

Die Simulation zeigt die letzte Phase der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher mit 31 und 19 Sonnenmassen.

Vergleich GW 150914 und GW170104

Diese Simulation zeigt einen Vergleich zwischen dem ersten Gravitationswellen-Signal vom 14. September 2015 und dem dritten vom 4. Januar 2017.

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Astrophysik

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Zum dritten Mal haben Forscher die von Albert Einstein vor 100 Jahren vorausgesagten Gravitationswellen nachgewiesen. Die beiden LIGO-Detektoren in den USA hatten am 4. Januar 2017 um 11:11:58,6 MEZ angeschlagen. Die Gravitationswelle mit der Bezeichnung GW170104 erreichte den Hanford-Detektor drei Millisekunden früher als den in Livingston  – ein durch die Himmelsposition der Quelle bedingter Effekt. Zwei schwarze Löcher mit 31 und 19 Sonnenmassen waren zu einem einzigen mit 49 Sonnenmassen verschmolzen. Das Signal wurde zuerst am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover gesehen.

<p>Die Quelle der Welle: Das Bild stammt 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 durch die Farbe angezeigt; blau zeigt schwache, gelb starke Felder an. Die schwarzen Löcher wurden um den Faktor zwei vergrößert, um die Sichtbarkeit zu verbessern.</p> Bild vergrößern

Die Quelle der Welle: Das Bild stammt 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 durch die Farbe angezeigt; blau zeigt schwache, gelb starke Felder an. Die schwarzen Löcher wurden um den Faktor zwei vergrößert, um die Sichtbarkeit zu verbessern.

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GW170104 ließ sich für rund 920 Millisekunden im Beobachtungsband von LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) verfolgen, und zwar zwischen 20 und 265 Hertz. Dabei durchlief das Signal 29 Gravitationswellenzyklen. Die beiden schwarzen Löcher verschmolzen bei einer Frequenz 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 drei Milliarden Lichtjahren ereignete – doppelt so weit entfernt wie die 2015.

Der Nachweis von GW170104 gelang dank einer sorgfältigen Analyse von Alexander Nitz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Hannoveraner Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI). Normalerweise erzeugt das LIGO-Datenanalyse-System automatische Benachrichtigungen für Signalkandidaten – nicht so am 4. Januar 2017: Das Hanford-Instrument war fehlerhaft eingestellt.

Alexander Nitz inspizierte an diesem Tag jedoch Kandidaten, die ein von ihm entwickeltes Analysesystem nahezu in Echtzeit identifizierte. Dabei stieß der Forscher zunächst auf ein vielversprechendes Signal in den Daten des Livingston-Detektors, danach auch in jenen 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 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.“

Die Entdeckung verstärkt das wissenschaftliche Fundament für eine neue Klasse von Paaren schwarzer Löcher, deren Massen größer sind als diejenigen, die vor LIGO bekannt waren. Denn die jetzt beobachtete Gravitationsfalle füllt mit ihren 49 Sonnenmassen die Lücke zwischen den beiden zuvor von LIGO beobachteten verschmolzenen schwarzen Löchern mit 62 und 21 Sonnenmassen.

Mitglieder der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ am AEI in Hannover entwickelten und implementierten viele der Algorithmen für die Software, die für die Analyse der LIGO-Daten verwendet werden. So wurden diese Untersuchungen genutzt, um die statistische Signifikanz von GW170104 und dessen Parameter zu bestimmen. Außerdem trug der Großrechner Atlas, den die Abteilung betreibt, rund die Hälfte der Rechenleistung für die Datenanalyse bei.

<p>Die Kurven der Welle: Das Signal von GW170104 in den beiden LIGO-Instrumenten. Die Daten des Livingston-Detektors wurden um drei Millisekunden zurückverschoben, um die Himmelsposition der Quelle zu berücksichtigen. Außerdem wurde das Vorzeichen der Amplitude umgekehrt, um die Orientierung der Detektoren zu kompensieren. Die wahrscheinlichste Wellenform für die Verschmelzung schwarzer Löcher gemäß dem am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam entwickelten Modell ist die schwarze Kurve. Die untere Abbildungshälfte zeigt das nach Abzug des Modells verbleibende Detektorrauschen.</p> Bild vergrößern

Die Kurven der Welle: Das Signal von GW170104 in den beiden LIGO-Instrumenten. Die Daten des Livingston-Detektors wurden um drei Millisekunden zurückverschoben, um die Himmelsposition der Quelle zu berücksichtigen. Außerdem wurde das Vorzeichen der Amplitude umgekehrt, um die Orientierung der Detektoren zu kompensieren. Die wahrscheinlichste Wellenform für die Verschmelzung schwarzer Löcher gemäß dem am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam entwickelten Modell ist die schwarze Kurve. Die untere Abbildungshälfte zeigt das nach Abzug des Modells verbleibende Detektorrauschen.

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Zudem spielten Forscher der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI in Potsdam 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 die Wissenschaftler im Jahr 2016 eine noch präzisere Familie von Wellenformfiltern für Verschmelzungen binärer schwarzer Löcher.

Diese Filter kamen in LIGOs zweitem Beobachtungslauf O2 zum Einsatz und fanden GW170104 in den Detektordaten. Außerdem wurde der Hochleistungscomputercluster Vulcan am Potsdamer AEI eingesetzt, um die statistische Signifikanz von GW170104 zu ermitteln und damit den astrophysikalischen Ursprung des Signals sicher zu bestätigen.

Die Max-Planck-Wissenschaftler fanden außerdem Hinweise darauf, dass bei mindestens einem der beiden schwarzen Löcher die Rotationsachse nicht senkrecht zur Bahnebene steht, was für bestimmte Modelle der Entstehung des Binärsystems spricht. Sie waren auch an Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie beteiligt; diese bestätigen, dass die Ausbreitungseigenschaften von GW170104 mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmt.

„Beobachtung und Interpretation des Signals 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 zeitaufwendigen numerischen Simulationen“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI in Potsdam und College Park-Professorin an der University of Maryland.

Der erneute Erfolg von LIGO wäre ohne den Gravitationswellen-Detektor GEO600 nicht möglich gewesen. Dort, 20 Kilometer südlich von Hannover, arbeiten Forscher der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität zusammen mit Kollegen aus Großbritannien an Schlüsseltechnologien, welche LIGO eine enorme Empfindlichkeit verleihen. Zusammen mit ihren Kollegen vom Laser Zentrum Hannover e.V. entwickelten, bauten und installierten sie auch die Hochleistungslaser der LIGO-Instrumente.

„Während GEO600 zusammen mit den LIGO-Detektoren wissenschaftliche Daten aufnimmt, sind unsere Forscher außerdem damit beschäftigt, die Quetschlichtquelle von GEO600 zu verbessern“, sagt Max-Planck-Direktor Karsten Danzmann. So ist GEO600 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 verwenden – ähnlich der, die wir bei GEO600 entwickeln und derzeit perfektionieren“, sagt Danzmann.

Gemeinsam mit Bruce Allen und Alessandra Buonanno ist sich Karsten Danzmann einig, dass massereiche Paare schwarzer Löcher häufiger sind, als man noch vor etwas mehr als einem Jahr annahm. Und: „Wir werden noch viel Neues erfahren – dies ist eine aufregende Zeit für das Zeitalter der Gravitationswellen-Astrophysik!“

<p>Geballte Rechenpower: Der Computercluster Atlas am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover ist der weltweit leistungsfähigste Großrechner für die Datenanalyse von Gravitationswellen.</p> Bild vergrößern

Geballte Rechenpower: Der Computercluster Atlas am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover ist der weltweit leistungsfähigste Großrechner für die Datenanalyse von Gravitationswellen.

Dieses Zeitalter begann am 14. September 2015 mit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen durch die beiden LIGO-Instrumente. Im ersten Beobachtungslauf O1 identifizierten die Forscher zwei Signale, genannt GW150914 und GW151226 – beide von Paaren verschmelzender schwarzer Löcher.

Seit dem 30. November 2016 misst LIGO zusammen mit der Anlage GEO600 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 während O2 aufgespürt wurden. Alle diese Kandidaten könnten echte Gravitationswellen sein. Ihre Entdeckung wurde Astronomen anderer Fachgebiete mitgeteilt, die nach elektromagnetischen Signaturen der sechs Kandidaten suchen.

Der Beobachtungslauf O2 wird bis August 2017 dauern. Ihm werden weitere Verbesserungen der LIGO-Instrumente folgen. Der dritte Beobachtungslauf O3 mit nie zuvor erreichter Empfindlichkeit soll in der zweiten Hälfte des Jahrs 2018 beginnen.

KNI / HOR

 
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