Quelle: AEI 26. August 2024.

26. August 2024 – Anfang 2024 genehmigte die Europäische Weltraumorganisation mit LISA das erste Gravitationswellen-Observatorium im All. LISAs Start ist für 2034 geplant. Stärke, Anzahl und Art der Signale, die LISA beobachten wird, werden sich deutlich von denen unterscheiden, die bodengestützte Detektoren messen können. Dadurch erschließt sich ein völlig neuer Bereich des Gravitationswellen-Spektrums. Dies stellt die Wissenschaftler*innen vor zahlreiche Herausforderungen, denn sie müssen nun die theoretischen und datenanalytischen Instrumente entwickeln, um LISAs Potenzial voll ausschöpfen zu können. Beim Workshop „Fundamental Physics Meets Waveforms with LISA“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) im Potsdam Science Park werden vom 2. bis 6. September 2024 etwa 140 Forschende diese Methoden diskutieren.

LISA wird Gravitationswellen in dem noch unerforschten Bereich zwischen 0,1 mHz und 0,1 Hz nachweisen. In diesem Teil des Spektrums, der sich von der Erde aus nicht beobachten lässt, gibt es im Universum viele starke Quellen von Gravitationswellen: Doppelsysteme massereicher Schwarzer Löcher, kleine Schwarze Löcher, die um massereichere Schwarze Löcher kreisen und in diese hineinstürzen, sowie enge Doppelsternsysteme in unserer Milchstraße. LISA wird in der Lage sein, Doppelsysteme von Schwarzen Löchern mit Sternenmassen viele Jahre vor deren Verschmelzung zu entdecken. Ein Gravitationswellen-Hintergrund und möglicherweise völlig neue und unerwartete Quellen stehen ebenfalls auf der Liste möglicher künftiger Entdeckungen.

Neue Quellen erfordern neue Werkzeuge
Um LISAs Möglichkeiten voll auszuschöpfen, sind genaue und effiziente Vorhersagen der erwarteten Wellenformen für die neuen Quellen unerlässlich. Darüber hinaus werden für die effiziente und genaue Parameterbestimmung in den LISA-Daten neue Berechnungsmethoden und maschinelle Lernverfahren benötigt.

Der Workshop bringt nun die „Fundamental Physics“- und „Waveform“- Arbeitsgruppen des LISA-Konsortiums zusammen, um:

• die theoretischen Entwicklungen und Werkzeuge der Datenanalyse zu diskutieren, die notwendig sind, um mit LISA die Allgemeine Relativitätstheorie im Bereich starker Gravitationsfelder zu testen und um Schwarze Löcher zu untersuchen,
• wichtige Entwicklungen von Wellenformen für verschiedene Quellen von Gravitationswellen zu identifizieren, die für die Validierung der LISA-Daten und die wissenschaftliche Nutzung erforderlich sind.

Der Workshop wird von der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI in Potsdam ausgerichtet, die eine Schlüsselrolle bei der Vorbereitung der wissenschaftlichen Nutzung von LISA spielt.

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• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 16. Juli 2024.

16. Juli 2024 – Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des National Radio Astronomy Observatory hat zehn schnell rotierende Neutronensterne im Kugelsternhaufen Terzan 5 entdeckt. Viele von ihnen befinden sich in ungewöhnlichen und seltenen Doppelsternsystemen, darunter möglicherweise ein rekordverdächtiger Doppelneutronenstern, ein Pulsar in einer extrem elliptischen Umlaufbahn und mehrere „Spinnensysteme“, in denen die Neutronensterne ihre Begleiter verdampfen. Diese Funde in den Daten des MeerKAT-Radioteleskops erhöhen die Anzahl der in diesem sehr dichten Sternhaufen bekannten Millisekunden-Pulsare um mehr als ein Viertel auf insgesamt 49. Das Team hofft, Pulsare in potenziell noch extremeren Doppelsternsystemen zu entdecken. Dazu sollen alle mit MeerKAT von Terzan 5 aufgezeichneten Daten durch Nutzung der enormen Rechenleistung des am MPI für Gravitationsphysik durchgeführten verteilten Rechenprojekts Einstein@Home auf weitere Pulsare durchsucht werden.

„Wir wissen, dass Kugelsternhaufen wie Terzan 5 viele schnell rotierende Neutronensterne beherbergen, und wir wissen auch, dass frühere Beobachtungen dieses Haufens wahrscheinlich einige übersehen haben. Trotzdem haben wir uns sehr gefreut, zehn bisher unbekannte Millisekunden-Pulsare zu entdecken, darunter einige in ungewöhnlichen und extremen Doppelsternsystemen“, sagt Prajwal Voraganti Padmanabh, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. „Die Kombination von hochempfindlichen Beobachtungen mit MeerKAT, Archivdaten des Green-Bank-Teleskops aus fast zwei Jahrzehnten und cleveren und effizienten Datenanalysemethoden haben diese Entdeckungen und ihre vollständige Charakterisierung ermöglicht.“

Padmanabh ist Erstautor einer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. Er begann seine Forschungsarbeit an Pulsaren während seiner Tätigkeit am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Neutronensterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen. Sie bestehen aus exotischer, extrem dichter Materie, sind schwerer als unsere Sonne und haben einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Rotation senden sie wie ein kosmischer Leuchtturm gebündelte Radiowellen aus. Wenn die Rotation diese Strahlenbündel regelmäßig auf die Erde richtet, wird der Neutronenstern als pulsierende Radioquelle – als Radiopulsar – sichtbar. Einige dieser Radiopulsare sammeln in Doppelsternsystemen von ihrem Begleiter Materie ein, die sie auf Rotationsperioden von wenigen Millisekunden beschleunigt. Sie werden als Millisekundenpulsare bezeichnet.

Der Kugelsternhaufen Terzan 5 ist einer der Orte mit der höchsten Sternendichte in unserer Milchstraße. In seinem Kernbereich, wo diese Dichte millionenfach höher ist als in der Umgebung unserer Sonne, treffen sich die Sterne und interagieren viel häufiger als anderswo. Dies macht ihn zu einer sehr effizienten „Fabrik“ für Pulsare in außergewöhnlichen Doppelsternen. Vor dieser Studie waren bereits 39 Pulsare in Terzan 5 bekannt; nun kamen zehn weitere hinzu.

Die Forscherinnen und Forscher machten ihre Entdeckungen in Daten des MeerKAT-Radioteleskops. MeerKAT ist eine Anlage von 64 Antennen in der südafrikanischen Karoo mit einer beispiellosen Empfindlichkeit für Quellen am Südhimmel. Im Rahmen des „TRansients and Pulsars using MeerKAT (TRAPUM) Large Survey Project“ beobachtete das Team Terzan 5 zweimal für mehrere Stunden mit jeweils 56 MeerKAT-Antennen. Die Hardware für TRAPUM wurde vom MPIfR finanziert, entworfen und installiert.

„Mittels spezieller Hardware und Software haben wir die Daten der 56 einzelnen MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen Teleskop kombiniert, das gleichzeitig fast 300 eng beieinander liegende Himmelspositionen im Bereich von Terzan 5 beobachtet hat“, so Dr. Padmanabh. „Das führt natürlich dazu, dass wir viel mehr Daten auswerten müssen als bei Beobachtungen mit einem einzelnen Teleskop. Aber es hilft uns auch, die Position jedes neuen Pulsars viel genauer zu bestimmen. Das ist bei Einzelteleskopen normalerweise der schwierige Teil, der Monate an zusätzlichen Beobachtungen erfordert.“

Das Team bereitete die Rohdaten vor und suchte dann an den 45 Positionen, die den Zentralbereich von Terzan 5 abdecken, nach Pulsaren. Ihr Arbeitspferd: der Großrechner Atlas am AEI Hannover, der rund 99.000 logische CPU-Kerne in fast 3.200 Servern sowie 400 Grafikkarten mit fast einer Million Kernen für die Datenanalyse bereitstellte. Mit dieser Suche konnten zehn neue Millisekunden-Pulsare aufgespürt werden.

Für jeden in den MeerKAT-Daten an einer genau definierten Himmelsposition gefundenen Pulsar wurde auf die Archivdaten des Green-Bank-Teleskops zurückgegriffen, um zu überprüfen, ob die Entdeckung dort bestätigt werden konnte. „Ohne das Archiv des Green-Bank-Teleskops wären wir nicht in der Lage gewesen, diese Pulsare zu charakterisieren und ihre Astrophysik zu verstehen“, sagt Scott Ransom, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Dadurch war man in der Lage, für alle Entdeckungen sogenannte Timing-Modelle zu erstellen. Diese mathematischen Beschreibungen sagen die Ankunftszeit jedes einzelnen der mehreren hundert Milliarden Pulse über die gesamten 19 Jahre Beobachtungszeit präzise voraus.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, müssen die Timing-Modelle viele astrophysikalische Eigenschaften berücksichtigen, die die Doppelsysteme mit Pulsaren beschreiben, einschließlich relativistischer Effekte, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergeben. Das ermöglichte es den Forschern, die Neutronensterne, ihre Umlaufbahnen, ihre Begleiter und viele andere Eigenschaften genau zu untersuchen und zu überwachen.

„Alle zehn neu entdeckten Pulsare sind ungewöhnlich und besonders und helfen uns, Kugelsternhaufen und Neutronensterne besser zu verstehen und die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Aber einige von ihnen sind selbst in dieser Gruppe selten und speziell“, sagt Paulo Freire, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ am MPIfR. „Diese Systeme sind nur die jüngsten Beispiele für die wunderbaren, exotischen Sternsysteme, die wir mit MeerKAT in diesen dichten Kugelsternhaufen gefunden haben. Zusammen mit jüngsten Beispielen wie dem Objekt NGC 1851E, das das erste Pulsar-Schwarzes-Loch-System darstellen könnte, zeigen uns die Ergebnisse, dass Kugelsternhaufen eine Goldmine voller Möglichkeiten darstellen.“

Vivek Venkatraman Krishnan vom MPIfR ist Mitautor der vorliegenden Arbeit. Er sucht im Rahmen des ERC Research Grants COMPACT („Understanding gravity using a comprehensive search for fast-spinning pulsars and compact binaries“) ebenfalls nach binären Pulsaren in Kugelsternhaufen. „Mit COMPACT werden wir ein maßgeschneidertes Suchsystem für Pulsare entwickeln und einsetzen, um noch extremere Versionen dieser Doppelsterne in Kugelsternhaufen zu entdecken“, sagt er.

Eine der Entdeckungen ist ein Doppelsternsystem, das möglicherweise aus zwei Neutronensternen besteht. Diese Doppelneutronensterne sind sehr selten – gerade einmal 20 von mehr als 3600 bekannten Pulsaren gehören zu dieser besonderen Spezies. Sollten zukünftige Beobachtungen diesen Verdacht bestätigen, wäre das Doppelsystem auch ein Rekordbrecher mit dem am schnellsten rotierenden Pulsar und der längsten Umlaufzeit solcher Objekte. Andererseits könnte es sich bei diesem System auch um einen massereichen Pulsar in Begleitung eines Weißen Zwergs handeln. Ein schwerer Pulsar könnte Aufschluss über die innere Zusammensetzung von Neutronensternen geben.

Die extrem elliptische Umlaufbahn eines anderen neuen Pulsars deutet auf eine Reihe von engen Begegnungen mit anderen Sternen in seiner Vergangenheit hin. Wenn im Gedränge im Zentrum von Terzan 5 Sterne an einem Doppelsternsystem vorbeiziehen, kann ihre Schwerkraft dessen Bahnen stören und sogar seine Komponenten herausschleudern oder deren Plätze einnehmen.

Nachdem das Team die Zahl der bekannten Pulsare in Terzan 5 schon um mehr als ein Viertel gesteigert hat, plant es bereits, weitere zu finden. Die Suche wird erweitert auf Pulsare in Doppelsystemen, deren Umlaufzeiten deutlich kürzer sind als die der bisher entdeckten. Die Forscher beabsichtigen, mit der Hilfe des verteilten freiwilligen Computerprojekts Einstein@Home alle mit MeerKAT gewonnenen Daten von Terzan 5 zu analysieren. Das Projekt, das von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am AEI Hannover geleitet wird, hat bereits mehr als 90 neue Neutronensterne entdeckt. Mit MeerKAT soll der Kugelsternhaufen Terzan 5 auch bei höheren Radiofrequenzen beobachtet werden, was die Chancen auf neue Entdeckungen weiter erhöhen dürfte.

„Nach allem, was wir über Terzan 5 wissen, erwarten wir, dass er noch viele weitere extreme Doppelsternsysteme beherbergt, von denen jedes ein potenzielles Labor für die Überprüfung der Einsteinschen Relativitätstheorie ist“, schließt Prajwal Voraganti Padmanabh. „Wer weiß, vielleicht ist das nächste, was wir in diesem erstaunlichen Kugelsternhaufen finden, etwas so Exotisches wie ein Paar Millisekunden-Pulsare oder ein Millisekunden-Pulsar, der ein Schwarzes Loch umkreist?“

Hintergrundinformation
Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zum „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskop für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ haben bereits 2023 während der Testphase des Teleskops begonnen.

TRAPUM (TRAnsients and PUlsars with MeerKAT) ist eines der Large Survey Proposals, die mit dem MeerKAT-Teleskop durchgeführt werden. Es handelt sich um ein internationales Kollaborationsprojekt, das von der Universität Manchester und dem MPIfR geleitet wird, und an dem Institutionen wie das INAF, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) beteiligt sind.

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. Das Green Bank Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen eines Kooperationsabkommens von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Autoren der Veröffentlichung sind P. V. Padmanabh, S. M. Ransom, P. C. C. Freire, A. Ridolfi, J. D. Taylor, C. Choza, C. J. Clark, F. Abbate, M. Bailes, E. D. Barr, S. Buchner, M. Burgay, M. E. DeCesar, W. Chen, A. Corongiu, D. J. Champion, A. Dutta, M. Geyer, J. W. T. Hessels, M. Kramer, A. Possenti, I. H. Stairs, B. W. Stappers, V. Venkatraman Krishnan, L. Vleeschower und L. Zhang. Paulo Freire, Ewan Barr, Weiwei Chen, David Champion, Arunima Dutta, Michael Kramer und Vivek Venkatraman Krishnan sind Mitarbeiter am MPIfR. Der Erstautor, Prajwal Voraganti Padmanabh, sowie Alessandro Ridolfi und Federico Abbate sind ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Originalveröffentlichung
Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., Astronomy & Astrophysics (A&A), Volume 686, A166 (Juni 2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49303-24/aa49303-24.html

Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., arXiv Preprint
https://arxiv.org/abs/2403.17799

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: DLR 19. März 2024.

19. März 2024 – Der Mittelmeerraum Europas trocknet seit Jahren aus. In einigen Regionen Spaniens – wie in der Metropole Barcelona – herrscht Alarmzustand, weil der Grundwasserspiegel teilweise um drei Meter pro Jahr fällt. Und auch auf dem gesamten Kontinent ist er seit dem Rekord-Dürrejahr 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen in jüngster Zeit einen anderen Eindruck vermitteln. So hat Deutschland innerhalb der vergangenen 20 Jahre mehr als 15 Milliarden Tonnen Wasser verloren. Um solche Daten zu gewinnen und mit ihnen ein genaues Bild von den Grundwasserspiegeln wie auch des globalen Wasserhaushalts zu bekommen, muss man aus dem All unter die Erdoberfläche „schauen“. Hierbei helfen gemeinsam mit anderen Messmethoden seit über zwei Jahrzehnten die Daten eines ganz besonderen Satellitenpärchens: Am 17. März 2002 starteten mit „Tom“ und „Jerry“ die ersten beiden Satelliten im „Gravity Recovery and Climate Experiment“ – kurz GRACE-Mission – der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

22 Jahre später haben die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR und die NASA mit GRACE-C diese sehr erfolgreiche Mission nach GRACE Follow-On (GRACE-FO) zum zweiten Mal verlängert. Das „C“ steht dabei für „Continuity“, womit die Konstanz in den Messreihen dieser Umweltmissionen gewürdigt wird. Von deutscher Seite als wissenschaftliche Beteiligte dabei sind das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. Gebaut werden die Satelliten bei Airbus in Friedrichshafen. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI). Der Start für das neue Satellitenpaar von GRACE-C ist für das Jahr 2028 mit einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX vorgesehen. Im Anschluss soll das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) beim DLR in Oberpfaffenhofen die Missionskontrolle übernehmen.

„Ohne Wasser kein Leben. Das macht Wasser gemeinsam mit sauberer Luft zur wichtigsten Ressource, die wir auf der Erde haben. Doch die Grundwasserspiegel auf der ganzen Welt verändern sich stetig. Hierbei geht es nicht um Kleinigkeiten. Mit den GRACE-Satelliten erfassen wir seit mehr als 20 Jahren jede Veränderung dieser Massentransporte global so präzise, dass Forschende zum Beispiel den Wasserhaushalt der Erde mit zuvor unerreichter Genauigkeit und Konstanz messen konnten. Die Mission GRACE-C wird diese unschätzbar wertvolle Datensammlung fortsetzen, die zu den Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates gehört“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „Gemeinsam mit der NASA gehen wir nun den GRACE-Weg in der Erdbeobachtung weiter und stärken damit unsere internationalen Kooperationen in der Raumfahrt. Die USA und Deutschland arbeiten seit langem eng bei der Klima- und Umweltforschung aus dem All zusammen. Das Vertrauen, das unsere US-amerikanischen Partner bei diesen Missionen mit der Beauftragung des Satellitenbaus und der Lieferung von wichtigen Teilen des GRACE-C-Instrumentes sowie der Missionskontrolle in deutsches Raumfahrt-Know-How setzen, ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit des Raumfahrtstandorts Deutschland“, unterstreicht Dr. Walther Pelzer.

„GRACE-C ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt zur Beobachtung und Erforschung einer der wertvollsten Ressourcen unseres Planeten“, sagt Dr. Nicola Fox, Stellvertretende NASA-Administratorin zuständig für Wissenschaft in Washington. „Von unseren Küsten bis zu unseren Küchentischen gibt es keinen Aspekt unseres Planeten, der nicht von Veränderungen im Wasserkreislauf betroffen ist. Die Partnerschaft zwischen der NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wird eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung auf die Herausforderungen von heute und morgen spielen“, so Nicola Fox weiter.

GRACE-C – NASA verlässt sich auf deutsche Raumfahrtexpertise
Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen. Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Ein wichtiger Teil dieses Laser Ranging Interferometer (LRI)-Systems – die sogenannte optische Bank und der Retroreflektor – kommt dabei von der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad am Bodensee. Deren Ingenieurinnen und Ingenieure werden dabei vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover unterstützt. Das AEI berät technisch und bezahlt die Beschaffung von LRI-Komponenten sowie von Test-Equipment, die wiederum von STI beauftragt werden. Das AEI überwacht auch die technischen Funktionen des LRI in der Betriebsphase.

GRACE-C – Wassermassen und Kontinente werden aus dem All gewogen
Doch wie messen die Satelliten mit diesem besonderem Lasersystem eigentlich die Verschiebung der Massen? Die Idee hinter dem GRACE-Prinzip ist eigentlich ganz einfach: Das Satellitenpärchen erfasst die Massen alleine anhand ihrer Schwerkraftwirkung. Dafür fliegen die beiden Satelliten jeweils in einem mittleren Abstand von nur rund 220 Kilometern hintereinander her. Relative Distanzabweichungen und Geschwindigkeit der beiden werden dabei mithilfe der Laser ständig ganz exakt gemessen. Dabei wird eine Genauigkeit von 200 bis 300 Picometern erreicht, was in etwa der Größe eines Atoms entspricht.

„Gestein und Wasser – egal ob in fester oder flüssiger Form – beeinflussen dabei mit ihren Massen die Flugbahn der Satelliten im All. Je stärker diese Gewichtskraft ist, desto mehr wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch beschleunigt er und entfernt sich vom anderen Satelliten. Je schwächer diese Kraft ist, desto weniger wird der voranfliegende Satellit beschleunigt. So nähert er sich wieder dem hinteren an. Diese minimale Veränderung im gegenseitigen Abstand wird kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen. Im übertragenen Sinne wiegen wir mit GRACE, wie Eisschilde und auch die Kontinente von Monat zu Monat ab- oder zunehmen“, erklärt Dr. Sebastian Fischer, GRACE-C-Programmleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Doch das Wiegen geschieht nicht nur im All. Erst anhand von komplizierten Rechenverfahren am Boden werden die minimalen Bewegungen der Satelliten im Erdorbit in Schwerefeldwerte übersetzt und mit anderen Daten kombiniert. Dies ermöglicht unter anderem die Messung von Änderungen im Grundwasserspiegel mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter auf 400 Kilometer Durchmesser – und das alle 30 Tage für die gesamte Erde. Hierbei spielt das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam eine wichtige Rolle: Es wird für den Aufbau des sogenannten Science Data Systems (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase ist das GFZ dann für den wissenschaftlichen Betrieb von GRACE-C zuständig.

GRACE-C – deutsch-amerikanische Mission unter DLR-Kontrolle
Nach dem Start der beiden GRACE-C-Satelliten an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX voraussichtlich im Jahr 2028 werden sie in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Rund eine Minute später soll die erste Kontaktaufnahme mit einer Bodenstation stattfinden. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GOSC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

GRACE – erfolgreiche Missionsreihe zur Beobachtung unserer Umwelt
GRACE war eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und des DLR, die bis zum Jahr 2017 betrieben wurde und damit dreimal länger als ursprünglich geplant aktiv war. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die University of Texas und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde vom DLR (aktuell der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem GFZ finanziert. Das NASA JPL managte die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-„Zwillinge“ wurden von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Dort entstanden, wiederum NASA-finanziert, auch die Nachfolger der Mission GRACE-FO, die seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Gravitationsmessungen fortsetzen. Auch die GRACE-C-Mission, die im Jahr 2028 starten soll, wird in Friedrichshafen gebaut. Der deutsche Beitrag wird von der Deutschen Raumfahrtagentur mit mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) umgesetzt. Dies wird durch Beiträge der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird dabei für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) gemeinsam mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für die Entwicklung und den Bau der laserbasierten Abstandsmessung zwischen dem GRACE-Satellitenpaar zuständig sein.

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• GRACE-C

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Quelle: Airbus Defence and Space 19. März 2024.

Friedrichshafen, 19. März 2024 – Airbus hat vom Jet Propulsion Laboratory JPL (Pasadena, Kalifornien) der NASA den Zuschlag für die Entwicklung und den Bau der GRACE-C-Zwillingssatelliten erhalten. Diese neue Mission der NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird die mehr als 20-jährige Partnerschaft zwischen den USA und Deutschland fortsetzen und damit die ununterbrochenen Messung des Schwerefelds der Erde gewährleisten. 2002 begann die Kooperation mit GRACE und wurde mit dem 2018 gestarteten GRACE Follow-On fortgeführt.

Während ihrer fünfjährigen nominellen Missionsdauer wird die GRACE-C-Mission (Gravity Recovery And Climate Experiment-Continuity) die Messreihe fortsetzen, mit der beobachtet wird, wie sich das Grundwasser, die Ozeane, die Eisschilde und das Land der Erde von Monat zu Monat verändern, indem Veränderungen im Schwerefeld des Planeten gemessen werden.

Alain Fauré, Leiter von Space Systems bei Airbus, sagte: „Es ist erstaunlich, dass zwei Satelliten, die mehr als 200 km voneinander entfernt sind, uns sagen können, wie schnell unsere Eisschilde schmelzen, ohne auf die Erde zu schauen. Bei der Umweltüberwachung ist Kontinuität ein Schlüsselelement. Die wertvollen Daten, die die bisherigen GRACE-Missionen geliefert haben, sind ein Beweis für ihren Erfolg, und es ist eine großartige Nachricht, dass Airbus weiterhin Teil dieser internationalen Mission ist, die die Instrumente zur Messung der Entwicklung unseres Klimas liefert.”

GRACE-C besteht aus zwei identischen Satelliten, die im Abstand von etwa 200 km auf einer Umlaufbahn in 500 km Höhe mit einer Neigung von 89 Grad fliegen. Jeder Satellit wird etwa 3 x 2 x 1 Meter groß sein und rund 600 kg wiegen. Der Start soll frühestens Ende 2028 von den USA aus erfolgen.

Wie ihre Vorgänger ist auch die GRACE-C-Mission darauf ausgelegt, kleine Abstandsänderungen zwischen den Satelliten aufgrund von Schwerkraftschwankungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit bis auf den Mikrometer genau zu messen. Während die beiden Satelliten die Erde umkreisen, werden Bereiche mit etwas stärkerer Schwerkraft (größere Massenkonzentration) die Position der Sonde und damit den Abstand zwischen den Satelliten beeinflussen. Das äußerst präzise Mikrowellen-Entfernungsmesssystem wird diese Veränderungen aufspüren und die Kartierung des Schwerefelds der Erde mit unübertroffener Genauigkeit ermöglichen.

Anhand der Veränderungen in diesen Schwerkraftkarten – oder der Verfolgung der Massenkonzentration – können die Wissenschaftler im Laufe der Monate oder Jahren den globalen Wasserhaushalt, einschließlich Grundwasserspiegel und Eisschilde, und den Einfluss des Klimawandels beurteilen. Außerdem wird es Einblicke in die Tiefen- und Oberflächenströmungen in den Ozeanen und in den Beitrag der Ozeanhöhen liefern.

GRACE-C ist ein Umbau der beiden GRACE Follow-On Satelliten mit modernster Avionik und dem gemeinsamen US-amerikanisch-deutschen Laser Ranging Interferometer (LRI), das bereits auf GRACE Follow-On als experimentelle Nutzlast geflogen ist und nun das Hauptinstrument für die Entfernungsmessung darstellt.

Die Mission basiert auf einer ressortübergreifenden Partnerschaft zwischen NASA und DLR. Die deutschen Beiträge werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz sowie das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Die optische Bank des LRI-Instruments wird von der SpaceTech GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsforschung (Albert-Einstein-Institut) gebaut.

Airbus Defence and Space in Friedrichshafen wird die Satelliten entwerfen, bauen und zum Startplatz liefern, einschließlich der Unterstützung der NASA/JPL in der Start- und frühen Orbitphase (LEOP). Die Mission wird vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) des DLR betrieben.

GRACE-C – eine erfolgreiche Serie von Missionen zur Beobachtung der Erdumwelt geht weiter
GRACE-C ist eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) realisiert. Dies wird durch Beiträge anderer Projektpartner auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten verantwortlich sein und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) zusammen mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für den Bau des Lasersystems zur Messung der Entfernung zwischen den GRACE-C-Sonden.

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• GRACE-C

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Quelle: DLR 25. Januar 2024.

Am 25. Januar 2024 haben die große Flaggschiffmission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) und die M-Klasse-Mission EnVision im Wissenschaftsprogramm der Europäischen Weltraumorganisation ESA eine weitere, wichtige Hürde genommen. Das LISA-Observatorium zum Aufspüren von sogenannten Gravitationswellen wurde nun zusammen mit der EnVision-Mission zur Erkundung der Venus durch das Science Programme Committee (SPC) der ESA in einer „Mission Adoption“ formal in die Umsetzungsphase überführt. Damit können nun das detaillierte Design, der Bau und später die umfangreichen Tests von Sonden, Nutzlast und Bodeninfrastruktur in vollem Umfang begonnen werden. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist der größte Beitragszahler im Wissenschaftsprogramm der ESA und dadurch finanziell maßgeblich an der LISA-Mission und in Teilen an EnVision beteiligt. Dadurch werden wichtige Teile dieser beiden europäischen Raumfahrtgroßprojekte in Deutschland umgesetzt. Bei EnVision ist das DLR in Berlin maßgeblich an einem Hauptinstrument beteiligt. Die Leitung und Koordination der gesamten sogenannten VenSpec Suite liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung. Das DLR-Institut für Weltraumforschung (ehemals DLR-Institut für Optische Sensorsysteme) hat die Multispektralkamera zur Suche nach aktiven Vulkanen und zur Kartierung der Mineralogie entwickelt und gebaut

LISA – Schwingungen der Raumzeit aufspüren
Bereits 2017 wurde LISA als eine der drei großen Flaggschiff-Missionen im Wissenschaftsprogramm der ESA ausgewählt. Seitdem haben intensive Arbeiten zum technischen Konzept und dessen Umsetzung stattgefunden. Auch die bereits seit den 1990er Jahren laufende wissenschaftliche Vorbereitung einschließlich der äußerst komplexen Datenverarbeitung und -analyse wurde seitdem in einem weltweiten Konsortium von mehr als 1500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern intensiv fortgesetzt. Die ESA, wie auch die beteiligten nationalen Institutionen aus verschiedenen europäischen Ländern sowie der NASA in den USA und deren industrielle Auftragnehmer werden nun ihre jeweiligen Teams deutlich aufstocken, um die noch notwendigen, umfangreichen Entwicklungsarbeiten bis zum geplanten Start der Mission Mitte 2035 anzugehen.

LISA soll nach der Inbetriebnahme im All ab Ende 2035 niederfrequente Gravitationswellen aus dem Weltraum nachweisen und die Natur ihrer Quellen mit großer Genauigkeit bestimmen. Gravitationswellen als Schwingungen der Raumzeit werden durch schnelle zeitliche Änderungen in der räumlichen Verteilung sehr großer Massen wie zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier stellarer oder auch supermassiver Schwarzer Löcher hervorgerufen. Die winzigen Amplituden einer Gravitationswelle lassen sich nur durch eine höchst empfindliche Laserinterferometrie nachweisen. Bei LISA wird dieses Laserinterferometer durch drei baugleiche Sonden aufgespannt, die ein nahezu gleichseitiges Dreieck mit rund 2,5 Millionen Kilometer Seitenlänge bilden. Damit wird LISA das bei weitem größte je von Menschen gebaute Observatorium sein.

LISA – größtes Observatorium wird mit maßgeblichem deutschen Anteil entwickelt und gebaut
LISA wird im Wissenschaftsprogramm der ESA unter Beteiligung der NASA und mit Beistellungen zur Nutzlast aus mehr als zehn europäischen Ländern unter anderem in Deutschland entwickelt und gebaut. Der industrielle Hauptauftragnehmer der ESA für die Gesamtmission wird im Januar 2025 aus einem deutschen beziehungsweise einem deutsch-italienischen Industriekonsortium ausgewählt: Airbus in Friedrichshafen und OHB in Bremen und Oberpfaffenhofen zusammen mit Thales-Alenia in Italien. Ein wissenschaftliches Konsortium ist maßgeblich an der Entwicklung von LISA beteiligt und baut zudem die Datenverarbeitung und -archivierung der Mission auf. Dabei kommt dem deutschen Beitrag zur Mission eine entscheidende und missionskritische Bedeutung zu. Dieser umfangreiche Beitrag zu LISA besteht wesentlich aus der führenden Rolle des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik / Albert-Einstein-Institut (AEI) in Hannover bei der Entwicklung des interferometrischen Nachweissystems (IDS – Interferometric Detection System), dessen Komponenten von verschiedenen Partnern in Europa bereitgestellt werden.

Das vom AEI entwickelte Herzstück des IDS ist neben dem optischen System, das vom Partner aus Großbritannien geliefert werden soll, das zentrale Phasenmeter der Mission. Dabei besteht eine enge Kooperation mit der Dänischen Technischen Universität (DTU) in Kopenhagen. Außerdem wird das Institut in Hannover in Zusammenarbeit mit niederländischen Partnern einen kritischen Mechanismus für die Nutzlast liefern. Das AEI unterstützt zudem die Mission und die ESA bei vielen Fragestellungen zum Systemdesign, wobei deren umfangreiche Erfahrungen aus der Entwicklung und dem Betrieb des Technologiedemonstrators LISA Pathfinder einfließen. Mit dieser Vorläufermission wurden von 2015 bis 2017 die entscheidenden Messprinzipien für LISA sehr erfolgreich im All erprobt. Zusammen mit der deutschen Raumfahrtindustrie hat das Albert-Einstein-Institut auch bei dieser Mission eine führende Rolle gespielt. Die gesamte Beteiligung des AEI an LISA, das auch die wissenschaftliche Leitung (Principal Investigator) der Gravitationswellenmission stellt, wird maßgeblich durch Zuwendungen der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterstützt.

EnVision – eine vielfältige Mission zu unserem Nachbarplaneten Venus
EnVision wurde im Juni 2021 als fünfte M-Mission im sogenannten Cosmic Vision Programm der ESA ausgewählt und wurde nun ebenfalls zur Umsetzung freigegeben. Im Laufe des Jahres 2024 wird sie dazu einen industriellen Auftragnehmer in Europa auswählen, so dass die Arbeiten zur Fertigstellung des Designs und zum Bau des Raumfahrzeugs bald beginnen können. EnVision soll im Jahr 2031 mit einer Ariane-6-Rakete starten. Die Mission wird die Venus von ihrem inneren Kern bis zur äußeren Atmosphäre untersuchen und wichtige neue Erkenntnisse über die Entwicklung, die geologische Aktivität und das Klima des Planeten liefern. Dadurch soll EnVision die vielen, seit langem offenen Fragen zur Venus beantworten, insbesondere, wie und wann der Zwilling der Erde so unwirtlich geworden ist. Das DLR in Berlin wird dabei helfen, diese Fragen zu beantworten, denn sowohl das DLR-Institut für Planetenforschung als auch das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme sind dabei maßgeblich an einem der vier großen Instrumente der Mission beteiligt.

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• DLR
• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory
• EnVision : ESAs Venus-Mission (M5) auf Ariane 62

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Januar 2023.

25. Janaur 2023 – Neun Millisekunden-Pulsare, die meisten in seltenen und teils ungewöhnlichen Doppelsystemen: Das sind die ersten Ergebnisse einer gezielten Durchmusterung mit dem südafrikanischen Teleskop-Array MeerKAT. Ein internationales Team mit maßgeblicher Beteiligung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) wählte 79 unidentifizierte pulsar-ähnliche Quellen aus Beobachtungen des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA aus und beobachtete sie mit MeerKAT im Radiobereich. Die Kombination dieser bewährten Methode mit einem Teleskop-Array der nächsten Generation hat deutliche Vorteile gegenüber früheren Durchmusterungen. Das Team entdeckte neun schnell rotierende Neutronensterne, die meisten mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Bei zwei dieser Objekte wurden Pulsationen der Gammastrahlung, optische Gegenstücke und bei einem weiteren System Röntgenstrahlung entdeckt.

Das Team vom AEI suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von einem der Neutronensterne. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von gezielten Suchen nach Radiopulsaren in unidentifizierten Gammastrahlenquellen. Diese dürften für weitere Erkenntnisse sorgen: Die Forschenden sind sicher, dass sich bei künftigen Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare entdecken lassen.

Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (MNRAS) veröffentlicht.

„Für unsere TRAPUM-Durchmusterung haben wir mit MeerKAT, einem relativ neuen und äußerst empfindlichen Radioteleskop, zusammen mit einer speziellen Analysesoftware eine Auswahl vielversprechender pulsar-ähnlicher Quellen beobachtet“, sagt Colin Clark, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Erstautor der Studie. „Die Belohnung für unsere Mühen ist etwas, auf das wir stolz sein können: Wir haben neun neue Millisekunden-Pulsare entdeckt, von denen einige recht ungewöhnlich sind.“

Das Team verwendete einen bewährten Ansatz, um neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken: Der Katalog des Fermi Large Area Telescope verzeichnet Gammastrahlenquellen, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA in acht Jahren Beobachtungszeit entdeckte. Dieser Katalog enthält Informationen über die Himmelspositionen der Quellen, die Energieverteilung ihrer Gammastrahlung und die zeitlichen Veränderungen ihrer Gammastrahlenhelligkeit. „Wir haben mit Methoden des maschinellen Lernens für alle Quellen im Fermi-Katalog, die nicht mit bekannten Himmelsobjekten assoziiert sind, die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass sie Pulsare sind“, erklärt Clark. „So identifizierten wir die pulsar-ähnlichsten Quellen im Fermi-Katalog. Danach reduzierten wir unsere Liste auf diejenigen Quellen, die mit unserer Durchmusterung am ehesten nachweisbar sein würden. Wir haben dann 79 Quellen mit MeerKAT beobachtet.“

MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit am Südhimmel
MeerKAT ist eine Anordnung von 64 Parabolantennen mit einem effektiven Durchmesser von je 13,5 Meter in der Karoo in Südafrika. MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit für Himmelsobjekte in der südlichen Hemisphäre. Es ist in der Lage, Quellen zu entdecken, die etwa fünfmal schwächer sind als diejenigen, die das zweitempfindlichste Teleskop der Südhemisphäre beobachten kann.

Das „TRansients and Pulsars using MeerKAT Large Survey Project“ (TRAPUM) nutzt diese Empfindlichkeit, um nach neuen Pulsaren in den Teilen des Himmels zu suchen, in denen sie am wahrscheinlichsten zu finden sind: Kugelsternhaufen, nahe Galaxien, Supernovaüberreste und – wie in dieser Untersuchung – unidentifizierte Gammastrahlenquellen. Dies erforderte die Entwicklung spezieller Computerhardware, die die Daten der MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen großen Radioteleskop kombiniert, das fast 500 nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig beobachten kann.

Bei dieser TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen wird die zusätzliche Empfindlichkeit von MeerKAT dazu genutzt, um die Beobachtungszeit auf nur 10 Minuten zu verkürzen. Das ist wesentlich kürzer als die stundenlangen Beobachtungen, die zuvor erforderlich waren, um Pulsare in diesen Quellen zu finden.

Kurze Beobachtungen haben viele Vorteile: In begrenzter Beobachtungszeit lassen sich mehr Quellen erfassen. Sie können wiederholt beobachtet werden, was die Chance erhöht, einen neuen Radiopulsar zu entdecken, da sie bei der ersten Beobachtung nicht immer sichtbar sind. Die TRAPUM-Pulsardurchmusterung umfasste zwei Beobachtungen pro Quelle. Die Analyse kurzer Beobachtungen ist rechnerisch weniger anspruchsvoll als die von längeren. Zudem kann die Bahnbewegung in Doppelsternsystemen die Entdeckung von Radiopulsaren erschweren. Während einer kurzen Beobachtungszeit ist die Bewegung des Pulsars nahezu konstant, so dass der nachteilige Effekt einer sich ändernden Bahnbewegung verringert wird.

Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit bietet das MeerKAT-Array einen weiteren Vorteil gegenüber Radioteleskopen mit einer einzigen Parabolantenne. MeerKAT kann die Himmelsposition neuer Quellen mit sehr hoher Präzision bestimmen, weil die Einzelantennen bis zu 8 Kilometer voneinander entfernt sind. Das ermöglicht schnelle Folgeuntersuchungen bei anderen Wellenlängen.

Neun neue Millisekunden-Pulsare
Die Suche nach Pulsaren in den großen Datenmengen, die während der TRAPUM-Beobachtungen entstehen, erfordert viel Rechenleistung und eine schnelle Verarbeitung, um Speicherplatz für weitere Beobachtungen freizugeben.

„Wir haben speziell entwickelte Datenanalyse-Methoden verwendet, die auf 120 Grafikprozessoren (GPUs) in einem speziellen Computer-Cluster laufen, um unsere MeerKAT-Beobachtungen zu sichten. Wir haben schnell neun Kandidaten für Millisekunden-Pulsare gefunden, die wir alle durch zusätzliche MeerKAT-Beobachtungen bestätigen konnten“, sagt Ewan Barr, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und TRAPUM-Projektwissenschaftler. „Es ist großartig, dass wir diese Bestätigungsbeobachtungen auch dazu nutzen konnten, die Himmelspositionen zu verfeinern, da MeerKAT in der Lage ist, viele nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig zu beobachten. Das ist von unschätzbarem Wert für Folgeuntersuchungen bei verschiedenen Wellenlängen.“

Ein enges Doppelsternsystem aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg
Eine der Entdeckungen, PSR J1526-2744, wurde anschließend genau untersucht. Nach der Entdeckung dieses Radiopulsars in einem Doppelsternsystem spürten die Forschenden auch die Gammastrahlenpulsationen des Neutronensterns auf. Mit Hilfe aller verfügbaren Fermi-Daten konnten sie die Bahnbewegung genau untersuchen und die Eigenschaften des Doppelsternsystems bestimmen. Höchstwahrscheinlich umkreist der Neutronenstern das gemeinsame Massenzentrum mit einem leichten Weißen Zwerg in etwas weniger als fünf Stunden. Dies wäre die zweitkürzeste bekannte Umlaufzeit eines solchen Doppelsystems.

Das Team suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von PSR J1526-2744. Wäre der Neutronenstern verformt, so würde er Gravitationswellen mit der doppelten Rotationsfrequenz aussenden. Die Forschenden nutzten alle öffentlich verfügbaren Advanced-LIGO-Daten aus den Beobachtungsläufen O1, O2 und O3. Da sie die Bewegung des Pulsars im Doppelsternsystem aufgrund der Gammastrahlenbeobachtungen genau kannten, erreichte das Forscherteam die höchstmögliche Empfindlichkeit für die Suche nach Gravitationswellen.

Gravitationswellen
Auch wenn sie von PSR J1526-2744 keine kontinuierlichen Gravitationswellen beobachteten, konnten sie messen, wie weit der Neutronenstern von der perfekten Achsensymmetrie abweicht. „Wir wissen jetzt, dass PSR J1526-2744 tatsächlich sehr symmetrisch ist. Wir haben gezeigt, dass der Äquator des Neutronensterns nicht viel mehr als der Durchmesser eines menschlichen Haares von einem perfekten Kreis abweichen kann,“ sagt Anjana Ashok, Doktorandin in der permanenten unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe „Kontinuierliche Gravitationswellen“ am AEI Hannover. Sie leitete die Suche nach Gravitationswellen.

Zwei weitere Pulsare, PSR J1036-4353 und PSR J1803-6707, sind typische „Redback“-Pulsarsysteme, die aus Neutronensternen mit Begleitsternen von mindestens einem Viertel der Masse unserer Sonne bestehen. Diese Pulsare verdampfen und zerstören ihre Begleiter im Laufe der Zeit, ähnlich den namensgebenden australischen Rotrückenspinnen, deren Weibchen die Männchen nach der Paarung auffressen.

Nach der schnellen und präzisen Bestimmung der Pulsarpositionen mit den einzigartigen Fähigkeiten von MeerKAT wurden die Pulsarbegleiter im Sternkatalog der Astrometrie-Mission Gaia identifiziert und im optischen Spektrum mit der ULTRACAM-Kamera am New Technology Telescope der ESO untersucht. Darüber hinaus fand man Röntgenstrahlung von PSR J1803-6707 in Daten der ersten eROSITA-Gesamtdurchmusterung. Die Röntgenstrahlung stammt wahrscheinlich von dem energiereichen Pulsarwind, der auf das vom Begleiter verdampfte Material trifft. Sie ist typisch für Redback-Systeme.

Pulsare, die sich im Katalog verstecken
Es ist schwierig, die Anzahl der noch unentdeckten Pulsare abzuschätzen, die sich hinter nicht identifizierten pulsar-ähnlichen Fermi-Quellen verstecken. Dennoch sind die Fachleute sicher, dass zukünftige Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare aufspüren können. In der Zielliste gibt es weitere Kandidaten, die sehr wahrscheinlich Pulsare sind. Allerdings zeigten sie auch in mehreren Durchmusterungen bisher keine pulsierenden Radiowellen oder Gammastrahlen. Neue Teleskope, Analysemethoden und wiederholte Beobachtungsversuche könnten eines Tages beweisen, dass sie Pulsare sind. Mit weiterhin zunehmender Beobachtungszeit von Fermi wird der Quellenkatalog wachsen und weitere pulsar-ähnliche Quellen werden auftauchen und zu potenziellen Zielen werden.

„Unsere Ergebnisse, die nur die ersten der TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen sind, zeigen bereits das große Potenzial von MeerKAT. Mit MeerKAT und einer speziellen Software sind wir nicht nur in der Lage, neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken, sondern auch schnell und präzise zu lokalisieren“, sagt Clark. „Die MeerKAT-Beobachtungen sind eine große Hilfe bei der Nachverfolgung bei mehreren Wellenlängen, bei der Suche in Katalogen und bei zukünftigen Beobachtungen – mit anderen Worten: sie machen Millisekunden-Pulsare zu einem Geschenk, das immer weiter beschenkt.“

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskop ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten für das SKA-Observatorium mit Sitz in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop-Netzwerk wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zu „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskopnetzwerk für eine mittleren Frequenzbereich integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ könnten bereits 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

TRAPUM („TRAnsients and PUlsars with MeerKAT“) ist eines der sogenannten „Large Survey Proposals“, die mit MeerKAT durchgeführt werden. Es handelt sich um eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der Universität Manchester und des MPIfR, an der auch Einrichtungen wie INAF in Italien, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in den USA und das „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) beteiligt sind.

Originalveröffentlichung
The TRAPUM L-band survey for pulsars in Fermi-LAT gamma-ray sources
Colin Clark et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 519, Issue 4, March 2023, Pages 5590–5606, DOI: 10.1093/mnras/stac3742
https://academic.oup.com/mnras/article/519/4/5590/6973222

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: MPI/AEI.

21. April 2022. „Die Beobachtung kontinuierlicher Gravitationswellen würde es uns ermöglichen, Neutronensterne zu entdecken, die wir auf andere Weise nicht aufspüren können“, sagt M. Alessandra Papa, die die dauerhafte unabhängige Forschungsgruppe leitet. „Mit der Rechenzeit, die wir mit unserem Antrag eingeworben haben, machen wir einen weiteren Schritt zur ersten Beobachtung kontinuierlicher Gravitationswellen.“

Die AEI-Forschenden werden die PRACE-Rechenressourcen nutzen, um öffentliche Daten der LIGO-Detektoren zu analysieren. „Unser Ziel ist die Suche nach kontinuierlichen Gravitationswellen von unbekannten rotierenden Neutronensternen. Wir werden über den gesamten Himmel und über eine große Bandbreite von Quelleneigenschaften suchen“, erklärt Pep Blai Covas Vidal, der Wissenschaftler, der den PRACE-Antrag leitete und kürzlich ein Marie-Skłodowska-Curie-Fellowship erhielt. „Diese Suchen sind sehr rechenintensiv – mehr als 10 Millionen Rechenkernstunden auf Grafikprozessoren hat PRACE für unsere Analysen bewilligt.“

Eine der weltweit führenden Gruppen

Die Forschungsgruppe von Papa ist eine der weltweit führenden Gruppen auf dem Gebiet der bislang noch unbeobachteten kontinuierlichen Gravitationswellen. Das internationale Forschungsteam entwickelt, verbessert und führt die tiefsten und empfindlichsten Suchen nach diesen lang anhaltenden Signalen durch, die von schnell rotierenden Neutronensternen erwartet werden.

Neutronensterne sind extreme Objekte: Diese kompakten Sternreste entstehen in Supernova-Explosionen und haben in der Regel etwa die 1,5-fache Masse unserer Sonne, aber nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern – dies entspricht der Größe einer Stadt. Da die Himmelsposition, die Rotation und andere Eigenschaften der einzelnen Neutronensterne unbekannt sind, gibt es eine Vielzahl möglicher Kombinationen dieser Eigenschaften zu überprüfen. Die Empfindlichkeit der Suchen ist durch die verfügbare Rechenleistung begrenzt.

Die unsichtbare Population der galaktischen Neutronensterne entdecken

Unsere Milchstraße könnte rund hundert Millionen Neutronensterne enthalten. Bisher wurden jedoch nur etwa 3300 entdeckt. Gravitationswellen könnten die einzige Möglichkeit sein, den allergrößten Teil dieser unsichtbaren Population extremer Objekte zu entdecken.

„Wenn wir sehr viel Glück haben, könnte diese neue Suche, die durch die Hochleistungsrechenressourcen von PRACE ermöglicht wird, zum ersten direkten Nachweis von kontinuierlichen Gravitationswellen führen“, erklärt Papa. „Dies wäre nicht nur eine bedeutende Entdeckung, sondern auch unser erster Schritt in ein neues Forschungsgebiet, in dem wir die innere Struktur und die Zusammensetzung von Neutronensternen mit Hilfe eines neuen astronomischen Boten untersuchen könnten“, fügt sie hinzu.

PRACE

Die Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) ist eine gemeinnützige internationale Vereinigung mit Sitz in Brüssel. Die PRACE-Forschungsinfrastruktur bietet Wissenschaftler*innen und Forscher*innen aus dem akademischen Bereich und der Industrie in Europa einen dauerhaften Hochleistungsrechnerdienst auf Weltniveau. Die über PRACE zugänglichen Computersysteme und ihr Betrieb werden von fünf PRACE-Mitgliedern bereitgestellt (BSC als Vertreter Spaniens, CINECA als Vertreter Italiens, ETH Zürich/CSCS als Vertreter der Schweiz, GCS als Vertreter Deutschlands und GENCI als Vertreter Frankreichs). Die Umsetzungsphase von PRACE wird durch das EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 (2014-2020) unter der Finanzhilfevereinbarung 823767 gefördert.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS).

Tübingen/Potsdam/Maryland 8. Dezember 2021 – Schwarze Löcher sind eines der größten Rätsel des Universums. Mit einer Masse Milliarden mal so groß wie die unserer Sonne erzeugen zwei ineinander verschmelzende schwarze Löcher in einer gewaltigen Explosion eine Gravitationswelle, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum ausbreitet. Gigantische Detektoren in den USA (LIGO) und Italien (Virgo) messen diesen Beleg für das von Albert Einstein 1916 vorhergesagte Phänomen: die Veränderung der Raumzeit. Ein Beben des Universums. 100 Jahre später wurde die erste Gravitationswelle tatsächlich gemessen. Kurz darauf, im Jahr 2017 folgte dafür der Physik-Nobelpreis.

Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen vergleichen die LIGO- und Virgo-Wissenschaftler*innen die von den Observatorien gesammelten Daten mit theoretischen Vorhersagen, um so die Eigenschaften der Quelle abzuschätzen, z. B. wie groß die schwarzen Löcher sind und wie schnell sie sich drehen. Derzeit dauert dieses Verfahren mehrere Stunden, oft sogar Monate.

Ein interdisziplinäres Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Tübingen und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam nutzt modernste Methoden des maschinellen Lernens, um diesen Prozess zu beschleunigen. Die Wissenschaftler*innen entwickelten einen Algorithmus, der ein tiefes neuronales Netz verwendet, das ähnlich wie ein menschliches Gehirn auf mehreren Ebenen große Datensätze analysiert. Sekundenschnell schließt das System auf alle Eigenschaften der beiden miteinander verschmelzenden schwarzen Löcher. Die Forschungsergebnisse wurden heute in der bedeutendsten Fachzeitschrift für Physik, den Physical Review Letters, veröffentlicht.

„Unsere Methode kann in wenigen Sekunden sehr genaue Aussagen darüber treffen, wie groß und schwer die zwei schwarzen Löcher waren, die bei ihrer Verschmelzung die Gravitationswellen erzeugt haben. Wie schnell rotieren die schwarzen Löcher, wie weit sind sie von der Erde entfernt und aus welcher Richtung kommt die Gravitationswelle? All diese Informationen können wir aus den Beobachtungsdaten ableiten und darüber hinaus Aussagen über die Genauigkeit dieser Berechnung treffen“, erklärt Maximilian Dax, Erstautor der Publikation Real-Time Gravitational Wave Science with Neural Posterior Estimation. Der Doktorand der Abteilung für Empirische Inferenz am MPI-IS ist Mitglied der LIGO Scientific Collaboration.

Das Forscherteam trainierte das neuronale Netz mit vielen Simulationen — vorausberechnete Gravitationswellen für hypothetische Doppelsysteme von schwarzen Löchern kombiniert mit dem Rauschen der Detektoren. Auf diese Weise lernt das Netzwerk die Zusammenhänge zwischen den gemessenen Gravitationswellendaten und den Parametern, die das zugrunde liegende System schwarzer Löcher charakterisieren. Es dauert zehn Tage, bis der Algorithmus namens DINGO (die Abkürzung steht für Deep INference for Gravitational-wave Observations) ausgelernt hat. Dann ist er einsatzbereit: in nur wenigen Sekunden leitet das Netzwerk aus den Daten neu beobachteter Gravitationswellen die Größe, die Eigendrehimpulse und alle anderen Parameter ab, die die schwarzen Löcher beschreiben. Die hochgenaue Analyse entschlüsselt fast in Echtzeit die Kräuselungen der Raumzeit – das hat es in dieser Geschwindigkeit und Präzision noch nie gegeben.

„Je weiter wir mit immer empfindlicheren Detektoren ins Weltall blicken, desto mehr Gravitationswellen werden gemessen. Schnelle Methoden wie die unsere sind daher unerlässlich, um all diese Daten in angemessener Zeit zu analysieren“, sagt Stephen Green, Wissenschaftler in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI. „DINGO hat den Vorteil, dass es – einmal trainiert – neue Ereignisse sehr schnell analysieren kann. Wichtig ist dabei auch, dass es detaillierte Schätzungen der Ungenauigkeit von Parametern liefert, die in der Vergangenheit mit Methoden des maschinellen Lernens nur schwer zu ermitteln waren.“

Bislang verwenden die Forscher*innen der LIGO- und Virgo-Kollaborationen sehr rechenintensive Algorithmen zur Analyse der Daten. Sie benötigen für die Interpretation jeder Messung Millionen neuer Simulationen von Gravitationswellen. Das dauert mehrere Stunden bis Monate – DINGO jedoch ist weitaus schneller, da das trainierte Netzwerk keine weiteren Simulationen für die Analyse neuer Beobachtungsdaten benötigt; ein Verfahren, das als „amortisierte Inferenz“ bekannt ist.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

8. November 2021 – Die LIGO Scientific Collaboration, die Virgo Collaboration und die KAGRA Collaboration haben heute die 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 Universums. Die Detektoren werden derzeit für den vierten gemeinsamen Beobachtungslauf O4 ausgebaut, der voraussichtlich spät im Jahr 2022 beginnt.

Einer der leichtesten Neutronenstern, die je beobachtet wurden
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: zwei schwere Schwarze Löcher verschmolzen zu einem sogenannten mittelschweren Schwarzen Loch“, sagt Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. „Außerdem fanden wir mehrere Ereignisse, bei denen die Gravitationswellen Details über die Eigendrehungen der verschmelzenden Schwarzen Löcher verraten.“

Eine Pause für Detektor-Upgrades
„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, Deutschland. Die Ergebnisse dieses GEO600-KAGRA-Beobachtungslaufs werden separat veröffentlicht.

Was verraten uns die Gravitationswellenereignisse über das Universum?
Die Forscher:innen 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 Astronom:innen 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.

Nächste Ziele: Sommer 2022 und O4
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. Die Wissenschaftler:innen rechnen damit, Gravitationswellen bis zu dreimal so oft wie in O3 zu beobachten. Es wären dann durchschnittlich fünf Signale pro Woche möglich.

LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration und KAGRA Collaboration
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 https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-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/.

Publikationen
The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaboration: GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the Second Part of the Third Observing Run, arXiv:2111.03606 (2021), https://arxiv.org/abs/2111.03606

The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaboration: Constraints on the cosmic expansion history from GWTC-3, arXiv:2111.03604 (2021), https://arxiv.org/abs/2111.03604

The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration, The KAGRA Scientific Collaboration: The population of merging compact binaries inferred using gravitational waves through GWTC-3, arXiv:2111.03634 (2021), https://arxiv.org/abs/2111.03634

The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaboration: Search for Gravitational Waves Associated with Gamma-Ray Bursts Detected by Fermi and Swift During the LIGO-Virgo Run O3b, arXiv:2111.03608 (2021), https://arxiv.org/abs/2111.03608

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

13. September 2021 – Die Internationale Stiftung Balzan Preis zeichnet mit vier jährlich verliehenen Preisen Wissenschaftler*innen aus, die in ihrem Tätigkeitsbereich international anerkannte Leistungen erbracht haben. Buonanno teilt sich den mit 750.000 Schweizer Franken dotierten Preis mit Prof. Thibault Damour vom französischen Institut des Hautes Études Scientifiques (IHES). Die Preisverleihung wird am 1. Juli 2022 in Bern (Schweiz) stattfinden.

Die Balzan-Stiftung gab die Verleihung an Alessandra Buonanno und die weiteren Preisträg*innen heute in einem Internet-Livestream bekannt. Alessandra Buonanno und Thibault Damour werden „für ihre führende Rolle bei der Vorhersage von Gravitationswellensignalen geehrt, die durch das Umkreisen und die Verschmelzung zweier sehr kompakter Objekte wie z.B. Neutronensterne und schwarze Löcher entstehen. Ihre Arbeit war entscheidend für die Beobachtung und Interpretation von Gravitationswellen und lieferte eine äußerst genaue Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie.“

„Ich freue mich sehr über diese hochkarätige Auszeichnung“, sagt Alessandra Buonanno, Leiterin der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam. „Mich freut ganz besonders, dass das Preisgeld zur Hälfte in die Nachwuchsförderung fließen wird. Mir liegt die Förderung von jungen Wissenschaftler*innen sehr am Herzen; sie haben mit ihrem Engagement, ihrer Begeisterung und ihrer Kreativität ganz wesentlich zu den Erfolgen des neu entstandenen Forschungsgebiets der Gravitationswellen-Astronomie beigetragen. Die jungen, talentierten Forscher*innen sind unsere Zukunft!“ Die Statuten der Balzan-Stiftung schreiben vor, die Hälfte der Preissumme für Forschungsprojekte zu verwenden, an denen vorzugsweise junge Forschende beteiligt sind.

Alessandra Buonanno ist eine der führenden Theoretikerinnen im Bereich der Gravitationswellenphysik. Ihre Forschung zur Modellierung von Wellenformen haben wesentlich zum Nachweis und zur physikalischen Interpretation von Gravitationswellen beigetragen, die bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und/oder Neutronensternen entstehen. Gemeinsam mit Thibault Damour entwickelte sie einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung des Zweikörperproblems in der Allgemeinen Relativitätstheorie – die effektive Ein-Teilchen-Näherung –, um hochgenaue Wellenformmodelle zu berechnen. Buonanno ist eine der Pionierinnen der erfolgreichen Kombination von Methoden der Numerischen und Analytischen Relativität, mit dem Ziel, die zuverlässigsten und effizientesten Wellenformmodelle für Gravitationswellenmessungen zu entwickeln. Mit ihren Mitarbeiter*innen am AEI und an der University of Maryland entwickelt Buonanno auch Wellenformmodelle für die geplanten Gravitationswellen-Detektoren auf der Erde (das Europäische Einstein-Teleskop und Cosmic Explorer in den USA) und im Weltraum (Laser Interferometer Space Antenna/LISA).

Alessandra Buonanno studierte Theoretische Physik in Pisa und lehrte und forschte in Paris und an der University of Maryland, wo sie 2010 als Professorin berufen wurde. Sie ist Principal Investigator der LIGO Scientific Collaboration. Für ihre Beiträge zu den Entdeckungen von LIGO und Virgo wurde sie mit mehreren Preisen ausgezeichnet, darunter 2018 mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis – dem renommiertesten deutschen Forschungspreis – und 2021 mit der Galileo-Galilei-Medaille und der Dirac-Medaille. 2021 wurde sie zum Mitglied der Deutschen Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, der US National Academy of Sciences und der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften gewählt. Buonanno ist Fellow der International Society on General Relativity and Gravitation und der American Physical Society. Sie hat eine Professur an der University of Maryland und Honorarprofessuren an der Humboldt-Universität zu Berlin und der Universität Potsdam inne.

Balzan-Preis

Die Internationale Stiftung Balzan Preis hat sich die weltweite Förderung von Kultur und Wissenschaften sowie von verdienstvollen Initiativen für Frieden und Brüderlichkeit unter den Völkern zum Ziel gesetzt. Die jährlich vergebenen Balzan-Preise werden in den Kategorien Geistes- und Sozialwissenschaften sowie Kunst als auch Physik, Mathematik, Naturwissenschaften und Medizin vom Preisverleihungskomitee ausgewählt. Die vier jährlichen Preise, zwei pro Kategorie, werden an Forscher*innen bzw. Künstler*innen vergeben, die in ihrem Tätigkeitsbereich international anerkannte Leistungen erbracht haben.

Seit 2001 müssen die Preisträger*innen laut Statuten die Hälfte der Preissumme für Forschungsprojekte verwenden, an denen vorzugsweise junge Wissenschaftler*innen beteiligt sind.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Mitte Juni 2018 hieß es „First Light!“ für ein neuartiges Laserinstrument in der Erdumlaufbahn. Das Laser Ranging Interferometer auf beiden Satelliten der deutsch-amerikanischen Geodäsie-Mission GRACE Follow-On wurde erstmals eingeschaltet. Gleich auf Anhieb konnten sich die 200 Kilometer entfernten Instrumente 490 Kilometer über dem Erdboden finden. Seitdem läuft das System zuverlässig und liefert hochpräzise Abstandsdaten im regulären Messbetrieb. Nun ziehen Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und an der Leibniz Universität Hannover eine positive Bilanz der ersten drei Jahre und werfen einen Blick in die Zukunft.

First Light am 14. Juni 2018
Mit großer Spannung erwarteten die Forschenden vor drei Jahren, am 14. Juni 2018, das Einschalten ihres Instruments auf den GRACE-Follow-On-Satelliten, die nach einem Bilderbuchstart seit Mitte Mai 2018 die Erde hintereinander auf einer Bahn über die Pole umrunden. An den beiden Satelliten befinden sich münzgroße Löcher, eines zum Senden und eines zum Empfangen eines Laserstrahls. Eine Herausforderung lag darin den Laserstrahl durch diese Löcher über eine Distanz von etwa 200 Kilometern hin- und herzuschicken während die Satelliten mit rund 27.000 Kilometer pro Stunde um die Erde rasen. Das Kunststück gelang: Das Laser-Interferometer konnte praktisch unmittelbar nach dem Einschalten die wissenschaftliche Datenaufnahme beginnen. Seitdem wurden an etwa 870 Tagen Messdaten aufgezeichnet, wann immer die Satelliten und die anderen Instrumente dies erlaubten.

Mit dem Laserlicht werden Änderungen des 200 Kilometer Abstands zwischen den Satelliten auf rund einen Atomdurchmesser genau vermessen. Das ist rund 5000-mal präziser als die parallel eingesetzte etablierte Mikrowellen-Technik und auch 400-mal präziser als in der Missionsanforderung des Laserinterferometers spezifiziert. Aus den Messungen der Abstandsänderung lässt sich das Erdschwerefeld und dessen zeitliche Veränderungen ableiten. So lassen sich Indikatoren des Klimawandels wie abschmelzende Eismassen, sinkende Grundwasserspiegel und der steigende Meeresspiegel aus der Erdumlaufbahn überwachen.

Ein zuverlässiges und hochpräzises Messinstrument
Obwohl das Laser Ranging Interferometer nur als Technologiedemonstration mit einer minimal erforderlichen Laufzeit von drei Monaten angelegt war, sind auch nach drei Jahren keine Verringerung der Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des Instruments und seiner Komponenten festzustellen. Das Interferometer sollte daher auch weitere Jahre wertvolle Messdaten liefern.

„Wir wissen nun, dass Laserinterferometer im All zwischen Satelliten über Jahre hinweg hochpräzise und sehr zuverlässig betrieben werden können“, sagt Gerhard Heinzel, Leiter der Arbeitsgruppe „Weltrauminterferometrie“ am AEI und Manager der deutschen Beiträge zum Laser Ranging Interferometer. „Besonders beeindruckend ist, dass wir mehr als 100 Tage dauernde Mess-Segmente von über 1500 Erdumläufen haben, in denen die Satelliten 60 Millionen Kilometer zurückgelegt haben, während denen die Laserverbindung nicht einmal unterbrochen wurde. Auch für LISA, das geplante Gravitationswellen-Observatorium im All ist dies ein wichtiges Ergebnis, denn wir haben für GRACE Follow-On LISA-Technologie eingesetzt. Sie funktioniert einwandfrei und dauerhaft.“

LISA ist eine geplante Satellitenmission unter Führung der ESA mit NASA-Beiträgen, die ab 2032 ins All starten könnte und dort vom Erdboden aus nicht nachweisbare niederfrequente Gravitationswellen messen würde. LISA wird dafür wie GRACE Follow-On laserbasierte Abstandmessungen zwischen Satelliten – allerdings über deutlich größere Entfernungen von 2,5 Millionen Kilometer – verwenden.

Neue Möglichkeiten zur Satellitendiagnostik
Aufgrund der enormen Empfindlichkeitssteigerung bei den Messungen der Abstandsänderungen durch das Laserinterferometer ergeben sich zudem ganz neue Möglichkeiten, das Verhalten des Satellitentandems besser zu verstehen. Bestimmte bisher rätselhafte kurze Ereignisse, die die Beschleunigungssensoren der Satelliten registrieren, lassen sich mit Hilfe der Daten des Laserinstruments durch Treffer von Mikrometeoriten von der Größe eines Staubkorns erklären. Auch können die Effekte von Schubdüsen zur Lageregelung der Satelliten aus den Abstandsdaten extrahiert werden.

Verbesserte Messungen des Erdschwerefelds
Welches Potenzial in den Messungen des Laserinstruments steckt, wird bei gleichzeitiger Anpassung der Analyse-Methoden mit zunehmender Messdauer sichtbar. Die höhere Auflösung der laserbasierten Abstandsmessungen sorgt für genauere Karten des statischen Schwerefelds der Erde. Sie bildet aber auch kurzfristige zeitliche Änderungen ab, die in den bisher monatlich veröffentlichten Schwerefeldkarten fehlten. Forschende vom AEI Hannover, der Leibniz Universität Hannover und vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam werden in den nächsten Jahren gemeinsam die optimale Auswertungsstrategie der Messdaten des Laserinstruments untersuchen.

Der Blick in die Zukunft
„Wir haben nach drei Jahren Messbetrieb konkrete Ideen dafür, wie wir die nächsten Geodäsie-Mission in der Erdumlaufbahn noch einmal verbessern können“, sagt Vitali Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe „Weltrauminterferometrie“ am AEI. „Zukünftige Erderkundungsmissionen könnten dann nur noch ein Laserinstrument wie das Laser Ranging Interferometer zur Abstandsmessung verwenden.“

„Nach dem großen Erfolg von LISA Pathfinder zeigt uns GRACE-Follow-On nun, dass ein weiterer Baustein – die Laserverbindung zwischen weit voneinander entfernten Satelliten – bereit für die LISA-Mission ist“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover. „Wir freuen uns, dass die Europäische Weltraumorganisation ESA die Entwicklung von bis zu zwei ähnlichen Missionen zur Messung des Erdschwerefelds und die dazugehörige Laser-Interferometrie vorantreibt. Mehrere gleichzeitig betriebene Satellitenpaare würden die Qualität der Erdschwerefeld-Karten erheblich verbessern.“

Wie beobachtet GRACE Follow-On Eis und Wasser auf der Erde?
Das GRACE-Follow-On-Satellitenpaar umrundet die Erde rund 490 Kilometer über ihrer Oberfläche. Die Satelliten folgen einander in einer Entfernung von 220 Kilometern in einer 90-Minuten-Bahn, die sie über die Pole der Erde führt. Der Abstand zwischen den Satelliten verändert sich aufgrund der Erdabplattung um einige Hundert Meter während jeden Umlaufs. Darüber hinaus gibt es weitaus kleinere Änderungen im Bereich von Mikrometern und Nanometern, verursacht durch die lokale Feinstruktur des irdischen Schwerefelds, die beispielsweise von Gebirgszügen, Eismassen und Grundwasserpegeln stammt.

Indem sie diese winzigen Veränderungen über Monate verfolgen, können die Forschenden das Abschmelzen von Eismassen in Grönland und der Antarktis, steigende Meeresspiegel, veränderte Grundwasserspiegel, Dürren und Überflutungen genau nachweisen und das Geoid definieren, das Grundlage globaler Höhenmessungen ist. Die neuartige Laser-Ranging-Interferometer-Technologie an Bord von GRACE Follow-On wird die Genauigkeit zukünftiger ähnlicher Missionen signifikant erhöhen und dadurch detailliertere Messungen des irdischen Schwerefelds und seiner Veränderungen mit der Zeit ermöglichen.

Warum ist GRACE Follow-On ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA?
Das Laser Ranging Interferometer von GRACE Follow-On ist das zweite Laserinterferometer im All mit wichtigen Beitragen aus dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover. Das erste derartige Instrument war das 40 Zentimeter messende Interferometer der LISA-Pathfinder-Mission, das Schlüsseltechnologien für LISA, testete.

Nach dem geplanten Start wird die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ganz ähnliche Technologie wie GRACE Follow-On verwenden, um winzige Längenänderungen, diesmal aber über eine Entfernung von 2,5 Millionen Kilometer zu messen. Auf diese Weise wird LISA niederfrequente Gravitationswellen von Millionen Doppelsternsystemen in unserer Milchstraße, verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern im gesamten Universum und anderen exotischen Objekten nachweisen.

Wer ist an GRACE Follow-On beteiligt?
GRACE Follow-On ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und deutscher Partner unter Federführung des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ. Es ist der verbesserte Nachfolger der erfolgreichen GRACE-Mission, die von 2002 bis 2017 im Betrieb war. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 03F0654B gefördert.

Wer ist am Laser Ranging Interferometer beteiligt?
Das LRI ist eine Kooperation zwischen NASA und deutschen Partnern, unter Federführung des AEI in Hannover auf deutscher Seite. Das LRI-Konzept, seine Prototypen und die technischen Spezifikationen kommen vom AEI, dessen Forscher*innen intensiv an der Entwicklung und den Tests der Flughardware beteiligt waren. Die Entwicklung des LRI beruht auf der langjährigen Partnerschaft des AEI mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA. Da sich das Lasersystem bewährt hat, können zukünftige ähnliche Missionen routinemäßig Laser- anstelle der Mikrowelleninterferometer verwenden.

Die deutschen Beiträge zum LRI umfassen das gesamte optische System, bestehend aus einem Umlenkspiegel, gefertigt von Hensoldt (ehemals Zeiss) in Oberkochen, der optischen Bank von SpaceTech GmbH in Immenstaad, welche auf Industrieseite den gesamten deutschen LRI-Beitrag verantwortet, Optoelektronik vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Berlin-Adlershof sowie elektronischen Baugruppen von Apcon AeroSpace & Defence in Neubiberg bei München. Das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen hat Instrumente zur Kalibrierung und für Tests entwickelt und geliefert. Gebaut wurden die beiden Satelliten im Auftrag der NASA bei Airbus Defence & Space in Immenstaad. Die Satelliten werden vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in Oberpfaffenhofen bei München unter Auftrag des GFZ gesteuert.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Die Physikalische Gesellschaft zu Berlin honoriert mit dem Preis Dr. Brambergers ausgezeichnete Dissertation mit dem Titel „Cosmological Singularity Resolution – Classical and Quantum Approaches“. Der mit 1.500 Euro dotierte Preis wird ihm am 18. November 2020 im Magnus-Haus in Berlin verliehen.

„Ich freue mich sehr über diese Anerkennung, denn sie würdigt meine Forschungsarbeit“, sagt Sebastian Bramberger, der am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Potsdam promoviert hat. „An der theoretischen Kosmologie hat mich von Anfang an fasziniert, dass sie sich philosophischen Fragen mit mathematischen Mitteln nähert. Dabei hat mich die Rolle der Quantenmechanik bei der Entstehung des Universums besonders interessiert, und hier hatte ich das Privileg, mit ausgezeichneten Forscherinnen und Forschern zusammenzuarbeiten.“

Brambergers Doktorarbeit befasst sich mit dem wohl größten Rätsel der Kosmologie – dem Urknall. Will man den Ursprung des Universums untersuchen, so steht man vor dem Problem, zwei bislang nicht miteinander vereinbare Theorien gleichzeitig anwenden zu müssen: Die Quantentheorie und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Denn am Anfang war nach den gängigen Vorstellungen das gesamte Universum auf einen winzigen Punkt konzentriert, aus dem dann mit dem Urknall Materie, Raum und Zeit entstanden und das Universum begann, sich auszudehnen. Das Verhalten von Materie auf winzigen Abständen beschreibt die Quantenmechanik, das der riesigen Massen jedoch die Relativitätstheorie. Beide sind nicht miteinander vereinbar, es kommt zu einer sogenannten „Singularität“, und die Theorie bricht zusammen. „Es ist unklar, wie man diese Singularität überwinden kann. Häufig wird angenommen, dass eine radikal neue Physik notwendig sein wird, um auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen“, sagt Dr. Jean-Luc Lehners, in dessen Arbeitsgruppe „Theoretische Kosmologie“ Bramberger seine Dissertation angefertigt hat. „Sebastian Bramberger hingegen stellt verschiedene Ansätze vor, die mit kleinstmöglichen Änderungen der bereits bekannten Physik auskommen, und dennoch das Potenzial haben, den Urknall zu erklären.“

„Herr Bramberger hat in seiner Arbeit mehrere bemerkenswerte Resultate erzielt“, erläutert Prof. Hermann Nicolai, emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, der Bramberger ebenfalls betreut hat. „Er hat eine exakte mathematische Lösung der Einsteinschen Relativitätstheorie gefunden, die zeigt, wie sich das Universum auf ein Minimum zusammenziehen kann und sich dann unter Einfluss der Dunklen Energie wieder ausdehnt.“ Bramberger hat auch das Phänomen des Quantentunnelns neu formuliert. Er hat entdeckt, wie man Quantensprünge mathematisch kontinuierlicher beschreiben kann. Diese Methoden erlauben es, neue Lösungen zu finden, in denen das Universum rund um den Urknall herum tunnelt.

Auch die „ewige Inflationstheorie“, eine immer noch rätselhafte Beschreibung des frühen Universums, gemäß der sich ständig neue Universen bilden, hat Bramberger erforscht und sie mathematisch genauer beschrieben. Er hofft nun, im nächsten Schritt eine erste vollkommen quantenmechanische Behandlung der ewigen Inflationstheorie formulieren zu können.

Sebastian Bramberger (geb. 1991) hat an der McGill University in Montreal, Kanada, Physik und Mathematik studiert und dort 2015 den Bachelor of Science abgelegt. Anschließend kam er ans AEI, wo er 2019 in der Arbeitsgruppe „Theoretische Kosmologie“ und der Abteilung „Quantengravitation und Vereinheitlichte Theorien“ mit einem Stipendium der Studienstiftung des Deutschen Volkes promovierte. Seit Abschluss seiner Dissertation forscht er als Postdoktorand am AEI.

Der Carl-Ramsauer-Preis wird zu Ehren des Experimentalphysikers Carl Ramsauer (1879-1955) von der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin vergeben. Seit 2002 werden jährlich jeweils vier hervorragende Doktorarbeiten in Physik und angrenzenden Gebieten an den Berliner Universitäten und der Universität Potsdam ausgezeichnet.

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• Urknall

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Noch ein außergewöhnliches Gravitationswellen-Ereignis aus dem dritten Beobachtungslauf (O3) von LIGO und Virgo gefunden: Heute wird ein neues Signal veröffentlicht, das von der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit 23 Sonnenmassen mit einem 9-mal leichteren Objekt stammt. Dieses zweite Objekt ist rätselhaft: mit der gemessenen Masse befindet es sich in der sogenannten „Massenlücke“ zwischen den schwersten bekannten Neutronensternen und den leichtesten Schwarzen Löchern. Auch wenn sich die Forscher*innen über seine wahre Natur nicht sicher sein können, so ist doch eines klar: Die Beobachtung dieses ungewöhnlichen Paares stellt das derzeitige Verständnis der Entstehung und Entwicklung solcher Systeme in Frage.

„GW190814 ist eine unerwartete und wirklich aufregende Entdeckung“, sagt Abhirup Ghosh, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Potsdam. „Sie ist aufgrund zweier herausragender Merkmale einzigartig. Noch nie zuvor haben wir eine Gravitationswelle von einem System gemessen, in dem die Einzelmassen so unterschiedlich sind: Ein Schwarzes Loch mit der 23-fachen Masse unserer Sonne verschmilzt mit einem Objekt, das nur die 2,6-fache Masse der Sonne hat. Aber was es noch rätselhafter macht, ist, dass wir nicht genau wissen, was das leichtere Objekt ist. Wenn es sich tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt, ist es das leichteste bekannte, ist es hingegen ein Neutronenstern, so ist dies der massereichste, den wir je in einem Doppelsystem beobachtet haben.“

Aufgrund der so unterschiedlichen Massen sind die „Fingerabdrücke“ der Gezeitenverformung des Neutronensterns, die seine Anwesenheit verraten würden, in GW190814 schwer zu erkennen – und wurden auch nicht nachgewiesen. Daher bleibt unklar, ob das leichtere Objekt ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern ist. Wenn es sich tatsächlich um einen Neutronenstern handelt, wäre er außergewöhnlich schwer. Das würde unser Verständnis davon, wie sich Neutronenstern-Materie verhält und wie massereich diese Objekte sein können, in Frage stellen.

„Weil die Massen der Objekte so unterschiedlich sind, konnten wir das Brummen einer höheren Harmonischen der Gravitationswelle, das den Obertönen von Musikinstrumenten ähnelt, eindeutig identifizieren“, sagt Jonathan Gair, Gruppenleiter in der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI in Potsdam. „Diese Harmonischen – in GW190814 erst zum zweiten Mal überhaupt nachgewiesen – erlauben es uns, einige astrophysikalische Eigenschaften des Doppelsystems genauer zu messen und ermöglichen neue Tests von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.“

Ein langsam rotierendes Schwarzes Loch
GW190814 wurde sowohl von den LIGO-Detektoren als auch vom Virgo-Detektor am 14. August 2019 während des dritten Beobachtungslaufs (O3) der Observatorien beobachtet – auf den Tag genau zwei Jahre nach GW170814, dem ersten von allen drei Instrumenten gemeinsam beobachteten Signal.

„Durch den günstigen Umstand, ein so lautes Signal mit ganz unterschiedlichen Komponentenmassen über eine Dauer von etwa 10 Sekunden beobachtet zu haben, konnten wir die bisher präziseste Messung der Eigenrotation eines Schwarzen Lochs mittels Gravitationswellen durchführen“, erklärt Alessandra Buonanno, Direktorin der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI in Potsdam. „Das ist wichtig, weil die Eigenrotation eines Schwarzen Lochs Informationen über dessen Entstehung und Entwicklung enthält. Wir fanden heraus, dass sich dieses Schwarze Loch mit 23 Sonnenmassen ziemlich langsam dreht: weniger als 7% der von der Allgemeinen Relativitätstheorie erlaubten maximalen Eigenrotation.“

„Es ist wirklich schwierig, etwas über die Umgebung, in der dieses ungewöhnliche Doppelsystem geboren wurde, und über seine Entwicklung herauszufinden. Es ist anders als die meisten solcher Systeme, die wir aus Simulationen ihrer Population kennen“, sagt Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover. „GW190814 und ähnliche zukünftige Signale könnten uns helfen, diese unerwartete neue Art von Doppelsystemen und die Prozesse, die zur Entstehung von schweren Neutronensternen oder leichten Schwarzen Löchern führen, besser zu verstehen“, fügt er hinzu.

Nach Vermutung der Astronom*innen hat sich das System mit größter Wahrscheinlichkeit entweder in jungen, dichten Sternhaufen oder in der Umgebung aktiver Galaxienkerne gebildet. Basierend auf ihren Schätzungen davon, wie viele solcher Systeme im Universum existieren und wie oft sie verschmelzen, gehen die Wissenschaftler*innen davon aus, dass sie in zukünftigen LIGO/Virgo-Beobachtungsläufen noch weitere solcher Systeme beobachten werden.

780 Millionen Lichtjahre in Richtung Sculptor
Die sehr unterschiedlichen Massen prägen sich in das ausgesandte Gravitationswellensignal ein, was wiederum den Forscher*innen ermöglicht, einige astrophysikalische Eigenschaften, wie z.B. die Entfernung zum System, genauer zu bestimmen.

Detaillierte Analysen der LIGO- und Virgo-Daten zeigen, dass die Verschmelzung in einer Entfernung von etwa 780 Millionen Lichtjahren von der Erde stattfand. Die Richtung zum Signalursprung konnte auf eine Fläche in Richtung des Sternbildes „Sculptor“ am Südhimmel eingegrenzt werden, die in etwa der von 90 Vollmonden entspricht.

Die Forscher*innen des AEI trugen sowohl zum Nachweis, als auch zur Analyse von GW190814 bei. Sie stellten genaue Modelle der Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern bereit. Diese berücksichtigten erstmals die Präzession der Eigenrotationen der Schwarzen Löcher, Multipolmomente jenseits des dominanten Quadrupols sowie Gezeiteneffekte, die durch den möglichen Neutronenstern-Begleiter hervorgerufen werden. Diese in die Wellenform eingeprägten 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 wurden zur Entwicklung der für die Untersuchungen verwendeten Wellenformmodelle eingesetzt.

Messung der Ausdehnung des Universums und Tests von Einsteins Theorie
Nachdem die Entfernung und die Himmelsposition genau bestimmt waren, nutzten die LIGO- und Virgo-Wissenschaftler*innen GW190814 (und ihre frühere Beobachtung einer Neutronenstern-Verschmelzung) dazu, mittels Gravitationswellen die Hubble-Konstante zu bestimmen. Diese beschreibt die Rate, mit der sich das Universum ausdehnt. Das Ergebnis ist genauer als frühere solche Messungen mit Hilfe von Gravitationswellen; es ist weniger genau als andere Messungen der Hubble-Konstante, aber in Übereinstimmung mit diesen.

LIGO- und Virgo-Wissenschaftler*innen verwendeten GW190814 auch dazu, um nach Abweichungen des Signals von den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu suchen. Aber selbst dieses ungewöhnliche Signal, das eine neue Art von Verschmelzungsereignis darstellt, folgt den Vorhersagen der Theorie.

Ein verbessertes internationales Netzwerk von Detektoren mit gequetschtem Licht
Diese Entdeckung ist die dritte, die aus dem dritten Beobachtungslauf (O3) des internationalen Netzwerks der Gravitationswellen-Detektoren veröffentlicht wird. Die Wissenschaftler*innen an den drei großen Detektoren haben diese mehrfach technologisch aufgerüstet.

„Während O3 verwendeten wir gequetschtes Licht, um die Empfindlichkeit von LIGO und Virgo um 40% zu erhöhen. Wir haben diese Technik zur genauen Abstimmung der quantenmechanischen Eigenschaften des Laserlichts am deutsch-britischen Detektor GEO600 entwickelt“, erklärt Karsten Danzmann, Direktor am AEI Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover. „Das AEI ist federführend bei den weltweiten Bemühungen, den Quetschgrad zu maximieren, und unsere Fortschritte in dieser Technologie werden allen zukünftigen Gravitationswellendetektoren zugute kommen.“

Mehr als 50 weitere Gravitationswellen-Kandidaten in O3
Die LIGO- und Virgo-Forscher*innen haben Beobachtungshinweise für 56 mögliche Gravitationswellen-Ereignisse (sogenannte Kandidaten) während O3, der vom 1. April 2019 bis zum 27. März 2020 dauerte, veröffentlicht. Bislang wurden drei Kandidaten bestätigt und publiziert. LIGO- und Virgo-Wissenschaftler*innen prüfen die verbleibenden 53 Kandidaten und werden all diejenigen veröffentlichen, für die detaillierte Folgeanalysen ihren astrophysikalischen Ursprung bestätigen.

LIGO-Scientific- und Virgo-Kollaborationen
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 https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. Weitere Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter www.virgo-gw.eu.

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Ein schwarzes Loch und sein rätselhafter Begleiter erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover, AEI).

Als Gravitationswellen bezeichnet man Wellen in der Raumzeit, die den Raum durchqueren und ihn dabei stauchen und strecken. Der Nachweis von Gravitationswellen ist außerordentlich schwierig, direkt ist er noch nie gelungen. Gravitationswellen werden von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt.
Zum Auffinden dieser Wellen werden Interferometer verwendet, die hindurchwandernde Gravitationswellen in Echtzeit beobachten sollen, indem die lokalen Änderungen der Raumzeit-Eigenschaften die empfindliche Interferenz zweier Laserstrahlen verändern. Aktuelle Experimente dieser Art wie GEO600 (Deutschland/Großbritannien) und LIGO (USA) benutzen Lichtstrahlen, die in langen Tunneln hin- und herlaufen. Ein Unterschied in der Länge der Laufstrecke, wie er durch eine durchlaufende Gravitationswelle verursacht würde, könnte mittels Interferenz mit einem Kontrolllichtstrahl nachgewiesen werden. Um auf diese Art eine Gravitationswelle direkt zu detektieren, müssen minimale Längenänderungen – etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons – in Bezug auf die Gesamtlänge der Messapparatur festgestellt werden. Diese Experimente laufen bereits seit einigen Jahren, konnten aber bisher noch nicht den erhofften Nachweis erbringen.

Die allen bekannten Laserpointer blinken gewöhnlich rot oder grün auf, aber nur mit einer schwachen Leistung von weniger als 1 Milliwatt. Die bisher in der Gravitationswellenastronomie benutzten Laser verfügen über Leistungen von 10-50 Watt. Sie sind somit etwa zehntausend Mal heller als die Lichtzeiger. Zudem sind die Laser für das menschliche Auge unsichtbar, denn sie arbeiten im infraroten Frequenzbereich. Die sehr starke Leistung und der Infrarotbereich machen solche Laser aber besonders wertvoll für Forschungszwecke. Die optischen Systeme der Gravitationswelleninterferometer sehen nämlich besonders scharf bei infraroten Wellenlängen und je höher die Leistung eines Lasers ist, um so präziser messen die Detektoren.

Der jetzt vom AEI und dem LZH neu entwickelte und gebaute Hochleistungslaser kommt bei der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren zum Einsatz. Er ist noch einmal um das rund Zehnfache stärker als seine Vorgänger. Er besitzt eine Leistung von 200 W bei einer Wellenlänge von 1.064 nm und zeichnet sich durch bisher unerreichte Stabilität von Leistung und Frequenz aus. Damit ist er weltweit der erste seiner Art, den die Wissenschaftler in einen Gravitationswellendetektor einbauen werden. Diese Entwicklung wurde auch durch SFB/TR7 ermöglicht.

Der 200-Watt-Laseroszillator wird eine neue Ära bei den Gravitationswellendetektoren starten und im Advanced LIGO, der Weiterentwicklung vom LIGO (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium) Anwendung finden. Dieses Instrument wurde nochmals umfangreich verbessert; es kann jetzt, nachgerüstet mit dem neuen Hochleistungslaser, das 1000-fache Volumen mit der gleichen Empfindlichkeit wie bisher untersucht werden.

Verwandte Webseiten:

• Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik – Albert-Einstein-Institut

Der Beitrag 200-Watt-Laseroszillator für Advanced LIGO erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Mandy Kobs. Quelle: M.P.I., A.E.I., Einstein-Online. Vertont von Peter Rittinger.

Am 19. Februar 2005 startete das Projekt Einstein@Home die Jagd nach Gravitationswellen. Aufgrund der besonderen Strahlung schnell rotierender Neutronensterne, erhoffen sich die Forscher, hier Gravitationswellensignale herausfiltern zu können. Das Jagdgebiet sind die aufgezeichneten Beobachtungsdaten großer Gravitationswellendetektoren (Geo600, LIGO). Die große Herausforderung liegt darin, dass man einem so außerordentlich kleinen Effekt auf die Spur kommen will, der ein so schwaches Signal hinterlässt, dass es einer monatelangen Beobachtung bedarf. Aus diesem langen Zeitraum wiederum ergibt sich erstens, dass die Erdrotation beachtet werden muss wie auch der Umlauf um die Sonne und zweitens eine Unmenge von anfallendem Datenmaterial.

Das Forschungsprojekt, das sich aus Wissenschaftlern der Universität Wisconsin-Millwaki (UWM) und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/A.E.I.) Hannover zusammensetzt, bezieht aus diesem Grund von Beginn an die Öffentlichkeit in ihre Forschung mit ein. Man nutzt eine Software (BOINC), die u.a. ein Verwalten und Verteilen großer Datenmengen ermöglicht. Getreu des Projektnamens „Einstein zu Hause“, können sich Privathaushalte oder Firmen am Projekt beteiligen und die Durchsuchung von Datenpaketen mit einem Teil der Kapazität ihres Computers unterstützen. Wenn der Computer nicht selbst benutzt wird, arbeitet ein Auswerteprogramm zugeteilte Datenpakete ab, während ein Bildschirmschoner den Himmelssektor anzeigt der gerade durchsucht wird.

Seit März 2009 werden so auch die Aufzeichnungen des Arecibo-Observatoriums in Puerto Rico ausgewertet. In den Daten dieses empfindlichsten und zweitgrößten Radioteleskops der Welt konnte das Signal eines unbekannten Pulsars aufgespürt werden. Der rotierende Neutronenstern befindet sich in etwa 17.000 Lichtjahren Entfernung innerhalb der Milchstraße, im Sternbild Fuchs (lateinisch Vulpecula) und trägt die Bezeichnung PSR J2007+2722. Höchstwahrscheinlich ist er ein sogenannter recycelter Pulsar, nahm also von einem einst engen Nachbarstern Masse und Drehimpuls auf und blieb letztlich als schnell rotierender Einzelgänger zurück. Heute rotiert der Neutronenstern binnen einer Sekunde 41 Mal um die eigene Achse.

Die Entdeckung wurde vor allem möglich, weil mittlerweile mehr als 200.000 Menschen in 192 Ländern das Forschungsprojekt mit ihren Computern unterstützen. So steht heute eine Rechenleistung von etwa 48 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde (48 Teraflops) zur Verfügung. Prof. Dr. B. Allen, Leiter des Projekts Einstein@Home und Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) sowie Adjunct Professor of Physics an der University of Wisconsin, Milwaukee: „Dies ist ein spannender Moment für Einstein@Home und unsere freiwilligen Teilnehmer. Es zeigt, dass durch die Beteiligung der Öffentlichkeit an der Wissenschaft neue Dinge in unserem Universum entdeckt werden können. Ich hoffe, dass sich nun noch mehr Leute begeistern lassen und uns dabei unterstützen, weitere Geheimnisse, die in den Daten verborgen liegen, aufzudecken.“

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (A.E.I.):

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