Gravitationswellen im Dutzend

Neuer LIGO/Virgo-Katalog enthält 50 Signale, davon mehrere aus ungewöhnlichen Quellen

Die LIGO-Scientific- und die Virgo-Kollaborationen haben ihren Katalog aktualisiert und 39 neu entdeckte Gravitationswellensignale einschließlich ihrer astrophysikalischen Bedeutung und genauerer Tests der allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlicht. Der „Gravitational-Wave Transient Catalog 2“ (GWTC-2) enthält nun 50 Signale verglichen mit 11 Signalen in der Vorversion. Die 39 neuen Entdeckungen stammen aus O3a, den ersten sechs Monaten des dritten gemeinsamen Beobachtungslaufs „O3“, der am 1. April 2019 begann. Die neuen Signale kommen von verschiedenen Systemen verschmelzender schwarzer Löcher und Neutronensterne in allen Kombinationen. Einige außergewöhnliche Ereignisse wurden bereits in den vergangenen Monaten veröffentlicht. Während der neue Katalog viele Verschmelzungen von Doppelsystemen schwarzer Löcher enthält, die inzwischen routinemäßig gefunden werden, gibt es auch einige Überraschungen: beispielsweise die leichteste Verschmelzung zweier schwarzer Löcher oder eine mögliche Verschmelzung eines schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern.

Abgesehen von den bereits früher veröffentlichten außergewöhnlichen Ereignissen GW190412, GW190425, GW190521 und GW190814 enthält der neue Katalog GWTC-2 zwei weitere besonders bemerkenswerte Ereignisse mit den Bezeichnungen GW190426_152155 und GW190924_021846 (nach einer neuen Namenskonvention wird die UTC-Zeit an die Ereignisbezeichnung angehängt).

„Eine unserer neuen Entdeckungen, GW190426_152155, könnte eine Verschmelzung eines schwarzen Lochs von etwa sechs Sonnenmassen mit einem Neutronenstern sein. Leider ist das Signal eher schwach, sodass wir nicht ganz sicher sein können“, sagt Serguei Ossokine, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Potsdam. „GW190924_021846 stammt mit Sicherheit von der Verschmelzung der beiden leichtesten schwarzen Löcher, die wir bisher beobachtet haben. Das eine hatte die Masse von sechs Sonnen, das andere die von neun. Es gibt Signale von Verschmelzungen mit weniger massereichen Objekten wie zum Beispiel GW190814, aber hier wissen wir nicht mit Sicherheit, ob es sich dabei um schwarze Löcher handelt.“

„Dass wir über einen Zeitraum von sechs Monaten alle fünf Tage ein neues Gravitationswellen-Ereignis aufspüren konnten, verdanken wir Nachrüstungen und Verbesserungen der beiden LIGO-Detektoren und des Virgo-Detektors“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Eine wichtige Rolle spielten zum Beispiel die am AEI Hannover entwickelten Hochleistungslaser, neue Spiegel und die Reduzierung von Hintergrundrauschquellen. Dadurch vergrößerte sich der Ausschnitt des Universums, aus dem unsere Detektoren beispielsweise das Signal von verschmelzenden Neutronensternen aufnehmen konnten, um das Vierfache!“ Auch die Verarbeitung der Rohdaten der Detektoren, der Umgang mit Störimpulsen (Glitches) und die Kalibrierung der Daten wurde verbessert, sodass die LIGO/Virgo-Forscher*innen tiefer in den Kosmos hinein lauschen können als je zuvor.

„Unsere Verbesserungen der Wellenformmodelle, mit denen wir nach den Signalen in den Detektordaten suchen, waren entscheidend für die Nachweise“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI Potsdam und Professorin an der University of Maryland. „Wir brauchen genaue Wellenformmodelle mit vollständigen physikalischen Effekten auch, um die verschiedenen astrophysikalischen Quellen zu identifizieren, um die Population dieser Quellen im Universum zu verstehen und um Tests der Gravitation im starken und dynamischen Bereich durchzuführen.“ Sie fügt hinzu: „Zum ersten Mal analysierten wir eingehend die Eigenschaften des Restobjekts, während es die Raumzeit zum Schwingen bringt, und wir untersuchten die Bedeutung der höheren Harmonischen im Signal für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie.“

In O3a, den ersten sechs Monaten des dritten gemeinsamen LIGO/Virgo-Beobachtungslaufs O3, fanden die Forschenden viermal so viele Signale wie in den beiden vorangegangenen Beobachtungsläufen zusammen (elf Monate Gesamtbeobachtungszeit). Ihre Untersuchung fand 39 neue Ereignisse, wodurch sich die Gesamtzahl auf 50 erhöht. Vorläufige Informationen wurden zu 26 dieser Signale als öffentliche Beobachtungshinweise (open public alerts) in Echtzeit mitgeteilt, während die restlichen 13 durch empfindlichere und zeitaufwändigere Folgeuntersuchungen gefunden wurden. Sieben der 33 öffentlichen Beobachtungshinweise in O3a wurden durch diese genauere Analyse nicht als Gravitationswellensignale bestätigt.

„Beim ersten Blick in den Katalog haben alle Ereignisse eines gemeinsam: Sie stammen von Verschmelzungen kompakter Objekte wie schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Aber wenn man genauer hinsieht, sind sie alle ziemlich unterschiedlich“, sagt Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. „Wir bekommen so ein vollständigeres Bild von der Population der Quellen der Gravitationswellen. Die Massen dieser Objekte erstrecken sich über einen sehr weiten Bereich, von etwa der Masse unserer Sonne bis zu mehr als dem 90-fachen. Einige von ihnen sind näher an der Erde, andere sind sehr weit entfernt.“

Zwar stammen die meisten neuen Entdeckungen aus Verschmelzungen „gewöhnlicher“ Doppelsysteme aus schwarzen Löchern mit Sternenmasse, doch ein paar sind außergewöhnlich. Einige von ihnen sind bereits veröffentlicht worden:

• GW190412: die erste Beobachtung einer Verschmelzung zweier schwarzer Löcher, bei der die beiden schwarzen Löcher deutlich unterschiedliche Massen haben,
• GW190425: höchstwahrscheinlich die zweite Beobachtung der Verschmelzung eines Neutronensternpaars,
• GW190521: die massereichste Verschmelzung schwarzer Löcher mit einer Gesamtmasse von 150 Sonnen und die erste Beobachtung der Geburt eines mittelschweren schwarzen Lochs,
• GW190814: die Verschmelzung eines schwarzen Lochs mit 23 Sonnenmassen mit einem mysteriösen Objekt, das 9-fach leichter ist.

Die LIGO/Virgo-Forscher haben heute auf dem Preprint-Server arXiv drei Begleitpublikationen zu ihrem neuen Katalog veröffentlicht. In einer wird untersucht, wie gut die Gravitationswellen-Ereignisse im Katalog mit der allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmen; es finden sich keine Hinweise auf eine neue Physik jenseits dieser Theorie. Eine andere Publikation untersucht, was die entdeckten Ereignisse uns über die Population ihrer Quellen im Universum verraten. Die dritte Publikation beschreibt eine Suche nach Gravitationswellen, die gemeinsam mit Gammastrahlenblitzen während O3a beobachtbar gewesen sein könnten. Allerdings wurden keine solchen Signale gefunden.

Die Forschenden am AEI haben wesentlich zu den in den vier Veröffentlichungen vorgestellten Analysen beigetragen. Sie lieferten genaue Modelle der Gravitationswellen von verschmelzenden schwarzen Löchern, die zum ersten Mal die Präzession der Spins dieser Objekte, Multipolmomente jenseits des dominanten Quadrupols sowie Gezeiteneffekte möglicher Neutronenstern-Begleiter berücksichtigten. Diese der Wellenform aufgeprägten Merkmale sind entscheidend, um einzigartige Informationen über die Eigenschaften der Quelle zu gewinnen und Tests der allgemeinen Relativitätstheorie durchzuführen. Die Hochleistungs-Computercluster „Minerva“ und „Hypatia“ am AEI Potsdam und „Holodeck“ am AEI Hannover wurden zur Entwicklung der Wellenformmodelle und deren Verwendung bei der Analyse der Ereignisse eingesetzt.

Die LIGO/Virgo-Forscher haben Beobachtungshinweise für 23 weitere mögliche Gravitationswellenereignisse – sogenannte Kandidaten – in O3b (der zweiten Hälfte von O3, vom 1. November 2019 bis zum 27. März 2020) herausgegeben. Keiner dieser Signalkandidaten wurde als sicher identifiziertes Gravitationswellen-Ereignis veröffentlicht. LIGO- und Virgo-Wissenschaftler prüfen alle verbleibenden Kandidaten und werden dann diejenigen veröffentlichen, für die detaillierte Folgeanalysen ihren astrophysikalischen Ursprung bestätigen.

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LIGO wird von der National Science Foundation (NSF) finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die LIGO konzipierten und das Projekt leiten. Finanzielle Unterstützung für das Advanced-LIGO-Projekt wurde hauptsächlich von der NSF geleistet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council-OzGrav) signifikante Verpflichtungen eingingen und Beiträge zum Projekt leisteten. Rund 1.300 Wissenschaftler*innen aus der ganzen Welt sind durch die LIGO-Scientific-Kollaboration, zu der auch die GEO-Kollaboration gehört, an der Unternehmung beteiligt. Eine Liste weiterer Partner gibt es unter https://my.ligo.org/census.php.

Die Virgo-Kollaboration besteht aus rund 550 Mitgliedern aus 106 Instituten in 12 verschiedenen Ländern, darunter Belgien, Frankreich, Deutschland, Ungarn, Italien, die Niederlande, Polen und Spanien. Das European Gravitational Observatory (EGO) ist die Dacheinrichtung des Virgo-Detektors nahe Pisa in Italien und wird vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien und vom Nikhef in den Niederlanden finanziert. Eine Liste der Gruppen der Virgo-Kollaboration finden Sie unter http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Weitere Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter www.virgo-gw.eu.