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Kosmische Kollision

Die Visualisierung zeigt die beiden 29 und 36 Sonnenmassen schweren schwarzen Löcher zunächst aus einer Entfernung von etwa 30.000 Kilometern. Man erkennt die abgestrahlten Gravitationswellen (orange); um die schwarzen Löcher herum ist das starke Gravitationsfeld dargestellt, das beim Zoom genauer zu sehen ist. Die Stärke des Gravitationsfeldes nimmt von innen (grün) nach außen hin (rot) ab. Beim Herauszoomen werden wieder die Gravitationswellen sichtbar. Bei den nun auftretenden hellorangen Strukturen handelt es sich um die besonders starken Gravitationswellen, die entlang der Rotationsachse (senkrecht zur Umlaufbahn) ausgesendet werden. Am Ende verschmelzen die schwarzen Löcher miteinander. Im Schlusszoom sieht man das resultierende schwarze Loch – es besitzt 62 Sonnenmassen – und das starke Gravitationsfeld (keine Wellen).

Gravitationswellen - Der Kosmos bebt

Albert Einstein hat sie im vergangenen Jahrhundert vorausgesagt, ihre Entdeckung aber für unmöglich gehalten: Gravitationswellen. 100 Jahre später wurden sie nachgewiesen.

Wellen in der Raumzeit

Raum und Zeit hängen miteinander zusammen. Deshalb können sehr schwere Massen den Raum strecken und stauchen - es entstehen sogenannte Gravitationswellen. Die Animation erklärt auf einfache Weise das Phänomen der Gravitationswellen und wie diese die Raumzeit verzerren.

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Die Entdeckung von Gravitationswellen am 14. September 2015 krönt eine jahrzehntelange Suche mit ausgeklügelten Methoden. Entscheidenden Anteil am Erfolg hat das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik mit seinen Standorten in Golm und Hannover. Dort forschen die Wissenschaftler an innovativen Techniken sowie an theoretischen Modellen, virtuellen Simulationen und an der Datenanalyse. Über deren Arbeit sowie Bedeutung und Folgen der Entdeckung sprachen wir mit den Direktoren Bruce Allen, Alessandra Buonanno und Karsten Danzmann.

„Das Signal stach sofort ins Auge“

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Nach Jahrzehnten intensiver Vorbereitungen waren die Forscher erfolgreich: Am 14. September 2015 gingen zwei Detektoren namens Advanced LIGO endlich Gravitationswellen ins Netz. Die Anlage in den USA arbeitet mit Techniken, die maßgeblich am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik entwickelt worden waren. Denn auf einem Feld in Ruthe nahe Hannover steht seit den 1990er-Jahren der Detektor GEO600.
 

Forschen auf freiem Feld

Nach Jahrzehnten intensiver Vorbereitungen waren die Forscher erfolgreich: Am 14. September 2015 gingen zwei Detektoren namens Advanced LIGO endlich Gravitationswellen ins Netz. Die Anlage in den USA arbeitet mit Techniken, die maßgeblich am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik entwickelt worden waren. Denn auf einem Feld in Ruthe nahe Hannover steht seit den 1990er-Jahren der Detektor GEO600.

 

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Der 14. September 2015 wird in die Geschichte eingehen. An jenem Tag empfingen Forscher erstmals Gravitationswellen – 100 Jahre, nachdem Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie vorlegte, die solche Verzerrungen der Raumzeit vorhersagt. Die Sensation gelang mit der Anlage Advanced LIGO. Deren Empfindlichkeit für das zarte Zittern aus dem All beruht maßgeblich auf Techniken und Methoden, die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Golm ausgetüftelt haben.

Der Kosmos bebt

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Gravitationswellen gehören zu den spektakulären Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915. Aber erst ein halbes Jahrhundert später versuchte der Physiker Joseph Weber sie aufzuspüren. Anfang der 1970er-Jahre stiegen auch Max-Planck-Wissenschaftler in dieses Forschungsfeld ein und entwickelten Detektoren der zweiten Generation. Dank der Vorarbeiten dieser Pioniere blieben die Wellen in der Raumzeit keine Hirngespinste: Im September 2015 gingen sie endlich in die Falle.
 

Die Suche nach dem zarten Zittern

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Astronomie

Gravitationswellen 100 Jahre nach Einsteins Vorhersage entdeckt

LIGO öffnet mit der Beobachtung kollidierender schwarzer Löcher ein neues Fenster zum Universum / Entscheidende Beiträge von Forschern der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität Hannover

11. Februar 2016

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet, die – ausgelöst von einem Großereignis im fernen Universum – die Erde erreichten. Diese Beobachtung bestätigt eine wichtige Vorhersage der von Albert Einstein im Jahr 1915 formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie öffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Kosmos.

Kollision im Computer: Diese Simulation zeigt die beiden schwarzen Löcher mit 29 und 36 Sonnenmassen, die einander umtanzen und in wenigen Augenblicken miteinander verschmelzen werden. Dabei strahlen sie Gravitationswellen ab – die in irdischen Detektoren beobachtet wurden. Bild vergrößern
Kollision im Computer: Diese Simulation zeigt die beiden schwarzen Löcher mit 29 und 36 Sonnenmassen, die einander umtanzen und in wenigen Augenblicken miteinander verschmelzen werden. Dabei strahlen sie Gravitationswellen ab – die in irdischen Detektoren beobachtet wurden.

Gravitationswellen tragen Information über ihre turbulente Entstehung und das Wesen der Gravitation. Physiker haben festgestellt, dass die jetzt beobachteten Gravitationswellen während des letzten Sekundenbruchteils der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern entstanden. Dabei bildete sich ein einzelnes, massereicheres rotierendes schwarzes Loch. Diese Kollision von zwei schwarzen Löchern war zwar vorhergesagt, aber noch nie beobachtet worden.

Die Gravitationswellen wurden am 14. September 2015 um 5.51 Uhr US-Ostküstenzeit (10.51 Uhr MEZ) von beiden identischen Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) in den USA registriert. Die LIGO-Observatorien werden von der National Science Foundation (NSF) finanziert.

Caltech und MIT entwarfen, bauten und betreiben die Detektoren. Die Entdeckung wurde zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters akzeptiert. Forscher der LIGO Scientific Collaboration (welche die GEO Collaboration und das Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy umfasst) und der Virgo Collaboration entdeckten das Signal in den Daten der zwei LIGO-Detektoren.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover und Potsdam und vom Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover (LUH) haben in mehreren Schlüsselgebieten entscheidend zur Entdeckung beigetragen: mit der Entwicklung und dem Betrieb extrem empfindlicher Detektoren an den Grenzen der Physik, mit effizienten Methoden der Datenanalyse, die auf leistungsfähigen Computerclustern laufen und mit hochgenauen Wellenformmodellen, um das Signal aufzuspüren und astrophysikalische Information daraus zu gewinnen.

Fortschrittliche Detektortechnologien von GEO600

<p>Hightech auf freiem Feld: Die H&uuml;tten von GEO600 gleichen Baucontainern, die nahe Hannover in der Landschaft stehen. Doch hier fanden die Forscher mit ausgekl&uuml;gelten Methoden nach Gravitationswellen.</p> Bild vergrößern

Hightech auf freiem Feld: Die Hütten von GEO600 gleichen Baucontainern, die nahe Hannover in der Landschaft stehen. Doch hier fanden die Forscher mit ausgeklügelten Methoden nach Gravitationswellen.

Die GEO-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlern der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität sowie von britischen Institutionen. Sie entwickelten und betreiben den Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover. Er dient als Ideenschmiede und Prüfstand für fortschrittliche Detektortechnologien.

Die meisten der Schlüsseltechnologien, die zur nie zuvor erreichten Empfindlichkeit von Advanced LIGO (aLIGO) beigetragen haben und die Entdeckung ermöglichten, wurden innerhalb der GEO-Kollaboration entwickelt und getestet. Beispiele sind Signalüberhöhung, resonante Seitenband-Extraktion und monolithische Spiegelaufhängungen. AEI-Forscher haben gemeinsam mit Kollegen des Laser Zentrum Hannover e.V. außerdem die Hochleistungslaser-Systeme von aLIGO entwickelt und am Detektor installiert. Die Laser sind entscheidend für die hochpräzisen Messungen.

„Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach Gravitationswellen, aber erst jetzt verfügen wir über die unglaublich präzisen Technologien, um diese extrem schwachen Echos aus dem fernen Universum wahrzunehmen“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

„Diese Entdeckung wäre unmöglich gewesen ohne die Anstrengungen innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft, der Leibniz Universität, der GEO-Kollaboration und der dort entwickelten Technologien.“

Rechenleistung und Analysemethoden für die Entdeckung

Erhellende Forschung: F&uuml;r den Detektor GEO600 haben die Wissenschaftler innovative Technologien entwickelt, die weltweit auch in anderen Anlagen dieser Bauart eingesetzt werden. Bild vergrößern
Erhellende Forschung: Für den Detektor GEO600 haben die Wissenschaftler innovative Technologien entwickelt, die weltweit auch in anderen Anlagen dieser Bauart eingesetzt werden.

Max-Planck-Forscher entwickelten und brachten fortschrittliche und effiziente Methoden zur Datenanalyse ein, um nach schwachen Gravitationswellen-Signalen in den Daten der aLIGO-Detektoren zu suchen. Sie führten außerdem den Großteil der Produktions-Datenanalyse aus.

Zusätzlich stellte der vom AEI betriebene Cluster Atlas, der weltweit leistungsfähigste Großrechner für die Suche nach Gravitationswellen, den Hauptteil der Rechenleistung für die Entdeckung und die Analyse von aLIGO-Daten zur Verfügung. Atlas trug mehr als 24 Millionen CPU-Kern-Stunden zu dieser Analyse bei.

„Ich bin stolz darauf, dass zwei Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik das Signal als Erste gesehen haben und dass unser Institut eine führende Rolle bei dieser spannenden Entdeckung spielt“, sagt Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. „Einstein selbst glaubte, Gravitationswellen wären zu schwach, um sie nachzuweisen. Und er glaubte nicht an die Existenz schwarzer Löcher. Aber ich denke, dass er nichts dagegen hätte, sich geirrt zu haben!“

Genaue Wellenformmodelle ebnen den Weg

Superhirn: Der vom Max-Planck-Institut f&uuml;r Gravitationsphysik betriebene Computercluster Atlas ist einer der leistungsf&auml;higsten Gro&szlig;rechner f&uuml;r die Datenanalyse von Gravitationswellen. Bild vergrößern
Superhirn: Der vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik betriebene Computercluster Atlas ist einer der leistungsfähigsten Großrechner für die Datenanalyse von Gravitationswellen.

Max-Planck-Forscher entwickelten hochgenaue Modelle der Gravitationswellen, die schwarze Löcher beim Umrunden und letztendlichen Kollidieren miteinander aussenden. Diese Wellenformmodelle wurden in der fortlaufenden Suche nach verschmelzenden Binärsystemen in den LIGO-Daten eingebracht und angewandt. Diese Suche hat das Signal von der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher, das als GW150914 bezeichnet wird, mit einer statistischen Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen beobachtet.

Max-Planck-Forscher nutzen außerdem dieselben Wellenformmodelle, um auf die astrophysikalischen Parameter der Quelle zu schließen: dazu zählen die Massen und Eigendrehungen der beiden schwarzen Löcher, die Ausrichtung des Systems und seine Entfernung zur Erde und auch Masse und Eigendrehung des riesigen schwarzen Lochs, dass bei der Verschmelzung entstand. Diese Modelle dienten auch dazu, die Übereinstimmung von GW150914 mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen.

„Seit Jahren arbeiten wir daran, die Gravitationswellen zu modellieren, die von einem der extremsten Ereignisse im Universum ausgestrahlt werden: Paare schwarzer Löcher, die einander umrunden und dann miteinander verschmelzen. Und genau dieses Signal haben wir nun gefunden!“ sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm. „Es ist überwältigend zu sehen, wie genau Einsteins Relativitätstheorie die Realität beschreibt. GW150914 stellt eine bemerkenswerte Gelegenheit dar, Gravitation unter Extrembedingungen zu untersuche

LIGO-Forschung wird innerhalb der LIGO Scientific Collaboration (LSC) durchgeführt, einer Gruppe von mehr als 1000 Wissenschaftlern von Universitäten in den USA und in 14 weiteren Ländern. Mehr als 90 Universitäten und Forschungseinrichtungen in der LSC entwickeln Detektor-Technologien und analysieren die Daten; rund 250 Studierende tragen als wichtige Mitglieder zur Kollaboration bei. Das Detektornetzwerk der LSC umfasst die LIGO-Interferometer und den GEO600-Detektor.

Dem GEO600-Team gehören Forscher am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und an der Leibniz Universität Hannover an, außerdem Partner an der University of Glasgow, der Cardiff University, der University of Birmingham und anderen Universitäten in Großbritannien, sowie die Universitat de les Illes Balears in Spanien.

LIGO wurde ursprünglich zur Messung von Gravitationswellen in den 1980er-Jahren von drei Personen vorgeschlagen: Rainer Weiss, emeritierter Physikprofessor des MIT, Kip Thorne, emeritierter Richard P. Feynman Professor für Theoretische Physik am Caltech, und Ronald Drever, emeritierter Physikprofessor, ebenfalls am Caltech.

Virgo-Forschung wird von der Virgo Collaboration durchgeführt, die aus mehr als 250 Physikern und Ingenieuren aus 19 verschiedenen europäischen Forschungsgruppen besteht: sechs vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, acht vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien, zwei vom Nikhef in den Niederlanden sowie das Wigner RCP in Ungarn, die POLGRAW-Gruppe in Polen und das European Gravitational Observatory (EGO) – das Labor, das den Virgo-Detektor nahe Pisa in Italien betreibt.

Die erweiterte Leistungsfähigkeit von Advanced LIGO ermöglichte die Entdeckung. Advanced LIGO ist eine große Erweiterung der Instrumente zur Erhöhung ihrer Empfindlichkeit gegenüber der ersten Generation der LIGO-Detektoren. Damit nahm das von ihnen erfasste Volumen enorm zu und ermöglichte so den Nachweis von Gravitationswellen im ersten Beobachtungslauf.

Die US National Science Foundation ist führend in der Finanzierung von Advanced LIGO. Förderorganisationen in Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council, STFC) und Australien (Australian Research Council) haben entscheidende Beiträge zum Projekt geleistet. Viele der Schlüsseltechnologien, die Advanced LIGO so viel empfindlicher machten, wurden von der deutsch-britischen GEO Collaboration entwickelt und getestet.

Entscheidende Computer-Ressourcen wurden vom Atlas-Cluster am AEI Hannover, dem LIGO Laboratory, der Syracuse University und der University of Wisconsin-Milwaukee zur Verfügung gestellt. Viele Universitäten entwickelten, bauten und testeten entscheidende Komponenten von Advanced LIGO: die Australian National University, die University of Adelaide, die University of Florida, Stanford University, Columbia University of New York und Louisiana State University.

LSC / KNI

 
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