LIGO, Virgo und KAGRA erhöhen ihren Punktestand auf 90

Der neue Gravitationswellenkatalog enthält 35 neue Signale

Die LIGO Scientific Collaboration, die Virgo Collaboration und die KAGRA Collaboration haben heutedie neueste Version ihres Gravitationswellenkatalogs veröffentlicht. Der „Gravitational-Wave Transient Catalog 3“ (GWTC-3) enthält 90 Signale, darunter 35 bisher unveröffentlichte. Diese stammen aus O3b, der zweiten Hälfte des dritten gemeinsamen Beobachtungslaufs O3, der am 27. März 2020 endete. Alle Signale stammen von verschmelzenden schwarzen Löchern und Neutronensternen. Der neue Katalog bietet einige Überraschungen, wie beispielsweise eine bemerkenswerte Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem schwarzen Loch, eine Kollision zweier sehr schwerer schwarzer Löcher und mehrere Paare schwarzer Löcher, die Informationen über ihre Spins preisgeben. Parallel dazu veröffentlichten die Forschenden begleitende Studien über die Population schwarzer Löcher und Neutronensterne im Universum sowie über die Ausdehnungsgeschichte des Weltalls. Die Detektoren werden derzeit für den vierten gemeinsamen Beobachtungslauf O4 ausgebaut, der voraussichtlich spät im Jahr 2022 beginnt.

Die bisher von LIGO und Virgo (in O1, O2 und dem gesamten O3) entdeckten Verschmelzungen kompakter Objekte. Die Grafik zeigt schwarze Löcher (blau), Neutronensterne (orange) und unbestimmte kompakte Objekte (grau), die mittels Gravitationswellen gefunden wurden. Jede Verschmelzung eines Doppelsystems entspricht drei dargestellten kompakten Objekten: den beiden verschmelzenden Objekten und dem Ergebnis der Verschmelzung.

Ein schwarzes Loch, das einen Neutronenstern verschluckt: O3b enthält gleich mehrere solcher außergewöhnlicher Ereignisse. Eines wurde bereits veröffentlicht, doch auch das zweite hat es in sich. „In O3b entdeckten wir GW191219_163120, ein Verschmelzungssignal, das von einem schwarzen Loch mit der 32-fachen Masse unserer Sonne stammt. Es verschluckt einen Neutronenstern von nur 1,17 Sonnenmassen. Das ist einer der leichtesten Neutronensterne, die je beobachtet wurden“, erklärt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Potsdam und Professorin an der University of Maryland. „Die neuen Beobachtungen fordern immer wieder unser Verständnis davon heraus, wie sich stellare schwarze Löcher und Neutronensterne bilden und wie sie sich gegenseitig umrunden, bis sie schließlich verschmelzen.“

GW200210_092254 ist eine weitere Neuentdeckung in den O3b-Daten, die dem zuvor entdeckten GW190814 ähnelt. Dabei verschmolz ein schwarzes Loch mit einem zweiten Objekt, das entweder ein sehr schwerer Neutronenstern oder ein sehr leichtes schwarzes Loch ist.

Bei den meisten Entdeckungen handelt es sich um Verschmelzungen zweier schwarzer Löcher; einige dieser Ereignisse sind besonders bemerkenswert. „Am 20. Februar 2020 beobachteten wir vermutlich die Geburt eines weiteren ‚dicken Fisches‘ ähnlich GW190521", sagt agt Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. Zwei schwere schwarze Löcher seien zu einem sogenannten mittelschweren schwarzen Loch verschmolzen. „Außerdem fanden wir mehrere Ereignisse, bei denen die Gravitationswellen Details über die Eigendrehungen der verschmelzenden schwarzen Löcher verraten", so Ohme.

„Wir haben eine einmonatige Pause im Oktober 2019 – zwischen O3a und O3b, den beiden Hälften von O3 – genutzt, um die Detektoren aufzurüsten und zu verbessern. Dazu reinigten wir die Endspiegel bei LIGO Livingston, tauschten Vakuumtechnik bei LIGO Hanford aus und erhöhten die Laserleistung bei Virgo“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. Er fügt hinzu: „Die Upgrades und die ständige Wartung unserer Gravitationswellen-Instrumente hat die Empfindlichkeit des internationalen Detektornetzwerks in O3b erhöht. Wir haben tiefer ins Universum gelauscht als je zuvor.“

Der KAGRA-Detektor in Japan begann zum Ende von O3 gemeinsam mit den anderen Instrumenten zu beobachten. Danach folgten im April 2020 zwei Wochen gleichzeitiger Datenaufnahme mit dem deutsch-britischen Gravitationswellendetektor GEO600 in der Nähe von Hannover. Die Ergebnisse dieses GEO600-KAGRA-Beobachtungslaufs werden separat veröffentlicht.

Die Forschernden haben heute zusätzlich zwei Begleitveröffentlichungen zu ihrem neuen Katalog publiziert. Die eine untersucht die Frage, was die Ereignisse über die Population kompakter Objekte – Neutronensterne und schwarze Löcher – in unserem Universum verraten, wie oft diese verschmelzen und wie ihre Massen verteilt sind. In der anderen Studie nutzten die Astronominnen und Astronomen die Gravitationswellensignale, um die Ausdehnungsgeschichte des Kosmos besser zu verstehen, indem sie die Hubble-Konstante bestimmten.

AEI-Forschende haben maßgeblich zu den in den drei Veröffentlichungen vorgestellten Analysen beigetragen. Sie haben genaue Wellenformmodelle von verschmelzenden kompakten Objekten wie schwarzen Löchern und Neutronensternen erstellt, die die Präzession der Spins der Objekte, Multipolmomente jenseits des dominanten Quadrupols sowie die Gezeiteneffekte des Neutronensterns berücksichtigen. Diese physikalischen Merkmale, die der Wellenform aufgeprägt sind, sind entscheidend, um eindeutige Informationen über die Eigenschaften der Quellen und des Universums zu gewinnen. AEI-Forschende haben sich auch aktiv an den Analysen und der Aufbereitung der Ergebnisse für die Veröffentlichung beteiligt. Die Hochleistungscomputercluster „Minerva“ und „Hypatia“ am AEI wurden bei der Entwicklung der Wellenformmodelle eingesetzt; sie wurden auch bei der Analyse der beobachteten Signale verwendet.

Die LIGO-, Virgo- und KAGRA-Detektoren werden derzeit für O4 vorbereitet und ausgebaut. Dieser vierte gemeinsame Beobachtungslauf wird voraussichtlich spät im Jahr 2022 beginnen. Die Detektoren sollten dann noch empfindlicher sein und häufiger Neues entdecken. Man rechnet damit, Gravitationswellen bis zu dreimal so oft wie in O3 zu beobachten. Es wären dann durchschnittlich fünf Signale pro Woche möglich.

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Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom LIGO Laboratory der National Science Foundation (NSF) unterstützt wurden, einer Einrichtung, die von der National Science Foundation finanziert wird. LIGO wird von Caltech und dem MIT betrieben, die LIGO konzipiert und das Advanced-LIGO-Detektorprojekt geleitet haben. Finanzielle Unterstützung für das Advanced LIGO Projekt kam hauptsächlich von der NSF, aber auch Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council-OzGrav) leisteten bedeutende Beiträge zum Projekt. Ungefähr 1.400 Wissenschaftler:innen aus der ganzen Welt beteiligen sich an der Analyse der Daten und der Entwicklung von Detektor-Designs durch die LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO Collaboration gehört. Eine Liste weiterer Partner finden Sie unter https://my.ligo.org/census.php.

Die Virgo-Kollaboration besteht aus derzeit rund 650 Mitgliedern aus 119 Instituten in 14 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.

Der KAGRA-Detektor befindet sich in Kamioka, Gifu, Japan. Dachorganisation ist das Institute of Cosmic Ray Researches (ICRR) an der Universität Tokio, und das Projekt wird vom National Astronomical Observatory in Japan (NAOJ) und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) mitbetreut. KAGRA wurde 2019 fertiggestellt und schloss sich später dem internationalen Gravitationswellennetzwerk von LIGO und Virgo an. Die eigentliche Datennahme begann im Februar 2020 während der letzten Phase des Beobachtungslaufs O3b. Die KAGRA-Kollaboration besteht aus über 470 Mitgliedern aus 11 Ländern/Regionen. Die Liste der Forschenden ist verfügbar unter http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA/KSC/Researchers. Informationen zu KAGRA finden Sie auf der Website https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/.

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