Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover

Entwicklungen bei der Suche nach Gravitationswellen von Binärsystemen

Autoren
Krishnan, Badri
Abteilungen
Observational Relativity and Cosmology
Zusammenfassung
Gravitationswellen sind eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie. Binärsysteme aus Neutronensternen und Schwarzen Löchern erzeugen diese winzigen Kräuselungen der Raumzeit. Große interferometrische Detektoren sollen sie nachweisen. Neben der Messtechnik spielt die Datenanalyse eine entscheidende Rolle, denn nur mittels empfindlicher und effizienter Methoden lassen sich die schwachen Signale aus dem Detektorrauschen herausfiltern. Wissenschaftler des MPI für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) haben dazu beigetragen, die ersten Entdeckungen greifbarer zu machen.

Ein neues Fenster zum All

Gravitationswellen werden ein vollkommen neues Fenster zum All öffnen. Da sie Schwingungen der Raumzeit selbst sind, stellen sie gewissermaßen den Klang des Universums dar. Astronomie mit Gravitationswellen ergänzt somit die bislang betriebene Astronomie, die auf Messungen im elektromagnetischen Spektrum oder der Detektion von Teilchen basiert. Objekte und Vorgänge, die keine elektromagnetischen Wellen abstrahlen und somit prinzipiell unsichtbar wären, können mithilfe der Gravitationswellen-Astronomie zukünftig „hörbar” gemacht werden.

Bislang wurden die Kräuselungen der Raumzeit nur indirekt nachgewiesen, doch eine weltweite Forschergemeinschaft aus mehr als 1.000 Wissenschaftlern arbeitet am ersten direkten Nachweis. Als besonders vielversprechend gelten dabei Gravitationswellensignale, die beim Verschmelzen und in der letzten Phase der Annäherung von kompakten Objekten wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen entstehen. Sie sind voraussichtlich die ersten Signale, die erdgebundene interferometrische Detektoren wie LIGO, Virgo, GEO600 und Kagra aufspüren werden. Dieser Signaltyp wird im Allgemeinen mit CBC (compact binary coalescence für Verschmelzung kompakter Binärsysteme) abgekürzt.

Detektoren der zweiten Generation

Derzeit werden die LIGO-Detektoren in den USA und der Virgo-Detektor in Italien zu Detektoren der zweiten Generation ausgebaut. Wenn sie in den nächsten Jahren erneut den Messbetrieb aufnehmen, werden sie rund zehnmal empfindlicher sein als zuvor.

Selbstverständlich ist heute nicht sicher bekannt wie viele CBC-Ereignisse die Detektoren der zweiten Generation beispielsweise bis zum Ende des aktuellen Jahrzehnts gefunden haben werden. Doch die Zahl lässt sich abschätzen. Basierend auf dem derzeitigen Verständnis der beteiligten astrophysikalischen Prozesse und der Annahme, dass die Detektoren der zweiten Generation mit der geplanten Messempfindlichkeit arbeiten, sind pro Jahr rund 40 messbare Verschmelzungen von Binärsystemen aus Neutronensternen zu erwarten.

Das Ziel der hier beschriebenen Forschung ist es, bedeutende Beiträge zu diesen ersten erwarteten Entdeckungen zu leisten. Wissenschaftler des Albert-Einstein-Instituts (AEI) haben dabei in zwei Themengebieten signifikante Fortschritte im Verlauf der letzten drei Jahre erzielt. Der eine besteht in der Berücksichtigung der Eigendrehung der kompakten Objekte in den Suchen, der andere in der Entwicklung von Datenanalysemethoden mit sehr geringer Latenzzeit.

Eigendrehung im Binärsystem

Die meisten Suchen nach Gravitationswellensignalen von Binärsystemen gingen bislang davon aus, dass die einzelnen Objekte des Binärsystems keine Eigendrehung aufweisen. Auf den ersten Blick mag dies erstaunlich oder gar widersprüchlich erscheinen. Denn schließlich ist der Eigendrehimpuls eine fundamentale Eigenschaft aller Neutronensterne und Schwarzen Löcher. Es ist bekannt, dass Neutronensterne sich mehrere Hundert Mal pro Sekunde um die eigene Achse drehen können. Die derzeit größte bekannte Drehfrequenz liegt bei 716 Drehungen pro Sekunde. Bei Schwarzen Löchern erwartet man noch schnellere Eigendrehungen, die bis nahe an den maximalen, von der Allgemeinen Relativitätstheorie erlaubten, Wert heranreichen sollten.

Für das abgestrahlte Gravitationswellensignal ist jedoch nicht der Drehimpuls J allein entscheidend, sondern dessen Verhältnis zur Masse M. Die ausschlaggebende Größe ist J/M2. Diese führt zu vernachlässigbar kleinen Effekten bei Neutronensternen, jedoch nicht zwingend bei Schwarzen Löchern.

Neue Herausforderungen in der zweiten Detektorgeneration

Zudem war die erste Generation der interferometrischen Gravitationswellen-Observatorien nicht hinreichend empfindlich, um die durch die Eigendrehung verursachten zusätzlichen Modulationen im Signal zu messen. Für die Detektoren der zweiten Generation werden die Effekte der Eigendrehung jedoch messbar sein. So ist es entscheidend, diese in die Beschreibung der Signale einzubeziehen, insbesondere dann, wenn das Binärsystem ein Schwarzes Loch enthält.

Die Notwendigkeit, die Eigendrehung zu berücksichtigen, führt zu zwei Komplikationen. Zum einen wird das Gravitationswellensignal – wie zu erwarten – komplexer und muss außerdem mit hinreichend hoher Genauigkeit modelliert werden. Zum anderen erfordert die erweiterte Beschreibung zusätzliche Parameter. Beides erhöht die Komplexität der Suche und macht sie rechenaufwendiger. Daher müssen die Datenanalysemethoden verbessert werden.

PyCBC: Eine neue Software-Infrastruktur für CPUs und GPGPUs

Wissenschaftler des Albert-Einstein-Instituts haben dazu beigetragen, das zuletzt genannte Problem zu lösen. Dazu entwickelten sie eine neue Software-Infrastruktur namens PyCBC. Diese basiert auf der Programmiersprache Python und ist in der Lage, die rechenaufwendige Aufgabe der Gravitationswellen-Datenanalyse auch für die Detektoren der zweiten Generation zu lösen. Eine wichtige Eigenschaft von PyCBC ist die Fähigkeit nahtlos zwischen normalen zentralen Recheneinheiten (central processing units, CPUs) und der Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheiten (General Purpose Graphics Processing Units, GPGPUs) umzuschalten. Beide Systeme spielen bereits jetzt für wissenschaftliches Rechnen eine große Rolle und ihre Bedeutung – vor allem die der GPGPUs – wird weiterhin zunehmen.

Die Verwendung von CPUs und GPGPUs steigert die Rechenleistung um bis zu zwei Größenordnungen. Dies wird bei der erforderlichen Berücksichtigung der Eigendrehung in der Gravitationswellen-Datenanalyse enorm helfen. PyCBC befindet sich derzeit in der finalen Testphase. Dabei wird als erste nicht-triviale Anwendung eine neue Datenanalysemethode entwickelt. Diese sucht nach den Signalen von Binärsystemen, die aus einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch bestehen. Es wird erwartet, dass PyCBC das Schlüsselwerkzeug für die Gravitationswellen-Datenanalyse für die Detektoren der zweiten Generation werden wird.

LLOID: Datenanalysemethode mit geringer Latenzzeit

Auch bei der Entwicklung von Datenanalysemethoden mit geringer Latenzzeit haben AEI-Wissenschaftler wichtige Beiträge geleistet. Die möglichst zeitnahe Messung von Gravitationswellensignalen könnte in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen. Denn ein Neutronenstern in einem Binärsystem kann durch Gezeitenkräfte des Partnerobjekts zerrissen werden und so im elektromagnetischen Bereich ein messbares Signal hervorrufen. Dies könnten klassische astronomische Observatorien beobachten.

Das Gravitationswellensignal lässt sich prinzipiell bereits messen, noch bevor der Neutronenstern zerrissen wird und das elektromagnetische Signal erscheint. Erfolgt die Auswertung der Gravitationswellendaten daher mit sehr geringer Latenzzeit, so könnten die Gravitationswellen-Observatorien eine Frühwarnung an andere verschiedene astronomische Teleskope und Weltraum-Observatorien versenden.

Diese Frühwarnungen für eine vernünftige Anzahl von Ereignissen zu generieren, verlangt eine nahezu verschwindend kleine Latenzzeit, die wiederum einen enormen Rechenaufwand erfordert. Wissenschaftler des Albert-Einstein-Instituts haben zur Entwicklung eines solchen Datenanalyseverfahrens mit geringer Latenzzeit beigetragen, das LLOID (Low Latency Online Inspiral Detection) heißt. Es verwendet „gstreamer”, eine weit verbreitete Multimedia-Software zur Bild- und Tonverarbeitung.

Lang andauernde Wellenformen

Der Hauptteil des großen Rechenaufwands stammt aus der langen Zeit, über die sich die erwarteten Signale in den Detektoren der zweiten Generation beobachten lassen. Für Binärsysteme aus Neutronensternen werden sie bis zu 30 Minuten lang sichtbar sein – in den Detektoren der ersten Generation waren es hingegen nur 30 Sekunden. Dies bedeutet wiederum, dass nach einer sehr großen Anzahl von derartigen Signalwellenformen gesucht werden muss, um sicherzustellen, dass kein mögliches Signal übersehen wird.

Glücklicherweise ähneln sich viele dieser Wellenformen: es gibt einen Überlapp zwischen vielen der theoretisch denkbaren Wellenformen. So kann ein großer Teil von ihnen ohne Verlust der Detektionseffizienz der Suche entfernt werden. Eine bekannte Methode, um diese Redundanz zu entfernen ist die sogenannte Singulärwertzerlegung, die ein zentraler Bestandteil der LLOID-Suche ist. Sie reduziert die Anzahl der zu untersuchenden Wellenformen um bis zu einer Größenordung und macht so eine Suche mit geringer Latenzzeit rechnerisch möglich.

Literaturhinweise

1.
Cannon, K.; Hanna, C.; Keppel, D.
Efficiently enclosing the compact binary parameter space by singular-value decomposition
Physical Review D 84, 084003 (2011)
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