Quelle: ESO Organisation Release eso2308de, 16. Mai 2023.

Einige verheerende Ereignisse im Universum, wie die Kollision von schwarzen Löchern oder Neutronensternen, erzeugen Gravitationswellen, d. h. Wellen in der Struktur von Raum und Zeit. Observatorien wie das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) und das www.virgo-gw.eu sind darauf ausgelegt, diese Wellen zu entdecken. Aber sie können weder ihren Ursprung genau bestimmen noch das flüchtige Licht erkennen, das bei den Kollisionen zwischen Neutronensternen und schwarzen Löchern entsteht. BlackGEM ist darauf ausgerichtet, große Bereiche des Himmels schnell zu scannen, um im sichtbaren Licht präzise nach Gravitationswellenquellen zu suchen.

„Mit BlackGEM wollen wir die Untersuchung kosmischer Ereignisse sowohl mit Gravitationswellen als auch mit sichtbarem Licht erweitern“, erklärt Paul Groot von der Radboud-Universität in den Niederlanden, der das Projekt leitet. „Die Kombination von beidem sagt uns viel mehr über diese Ereignisse als nur das eine oder das andere.“

Indem sie sowohl Gravitationswellen als auch ihre sichtbaren Gegenstücke aufspüren, können Astronom*innen die Art der Gravitationswellenquellen und ihre genaue Position bestimmen. Die Verwendung von sichtbarem Licht ermöglicht auch detaillierte Beobachtungen der Prozesse, die bei diesen Verschmelzungen ablaufen, wie z. B. die Bildung von schweren Elementen wie Gold und Platin.

Bislang wurde jedoch nur ein sichtbares Gegenstück zu einer Gravitationswellenquelle entdeckt. Darüber hinaus können selbst die fortschrittlichsten Gravitationswellendetektoren wie LIGO oder Virgo ihre Quellen nicht genau identifizieren. Bestenfalls können sie den Standort einer Quelle auf ein Gebiet von etwa 400 Vollmonden am Himmel eingrenzen. BlackGEM wird solch große Regionen mit einer ausreichend hohen Auflösung effizient abtasten, um Gravitationswellenquellen mit sichtbarem Licht zuverlässig zu orten.

Die drei Teleskope, aus denen BlackGEM besteht, wurden von einem Konsortium von Universitäten gebaut: der Radboud University, der Netherlands Research School for Astronomy und der KU Leuven in Belgien. Die Teleskope haben jeweils einen Durchmesser von 65 Zentimetern und können verschiedene Bereiche des Himmels gleichzeitig untersuchen. Letztendlich möchten die zusammenarbeitenden Institute die Anlage auf 15 Teleskope erweitern, um die Abdeckung noch weiter zu verbessern. BlackGEM wird am La-Silla-Observatorium der ESO in Chile betrieben und ist damit die erste Anlage ihrer Art auf der Südhalbkugel der Erde.

„Trotz des bescheidenen Primärspiegels von 65 Zentimetern gehen wir so tief wie manche Projekte mit viel größeren Spiegeln, weil wir die hervorragenden Beobachtungsbedingungen auf La Silla voll ausnutzen“, sagt Groot.

Sobald BlackGEM eine Quelle von Gravitationswellen genau identifiziert hat, können größere Teleskope wie das Very Large Telescope der ESO oder das künftige Extremely Large Telescope der ESO detaillierte Folgebeobachtungen durchführen, die dazu beitragen werden, Aufschluss über einige der extremsten Ereignisse im Kosmos zu erhalten.

Neben der Suche nach den optischen Gegenstücken zu den Gravitationswellen wird BlackGEM auch Durchmusterungen des Südhimmels durchführen. Der Betrieb ist vollständig automatisiert, so dass die Anlage schnell „flüchtige“ astronomische Ereignisse aufspüren und beobachten kann, die plötzlich auftauchen und schnell wieder aus dem Blickfeld verschwinden. Dadurch erhalten Astronom*innen einen tieferen Einblick in kurzlebige astronomische Phänomene wie Supernovae, die gewaltigen Explosionen, die das Ende des Lebens eines massereichen Sterns markieren.

„Dank BlackGEM hat La Silla nun das Potenzial, einen wichtigen Beitrag zur Erforschung kurzlebiger Phänomene zu leisten“, ergänzt Ivo Saviane, Standortleiter am La-Silla-Observatorium der ESO. „Wir erwarten von diesem Projekt viele herausragende Ergebnisse, die die Attraktivität des Standorts sowohl für die wissenschaftliche Gemeinschaft als auch für die breite Öffentlichkeit erhöhen werden.“

Weitere Informationen
Das BlackGEM-Konsortium umfasst: NOVA (Netherlands Research School for Astronomy, die nationale niederländische Forschungsallianz für Astronomie zwischen der Universität Amsterdam, der Universität Groningen, der Universität Leiden und der Radboud-Universität); die Radboud-Universität, Niederlande; die KU Leuven, Belgien; das Weizmann-Institut, die Hebräische Universität Jerusalem und die Universität Tel Aviv, Israel; die Universität Manchester und das Armagh Observatorium und Planetarium, Vereinigtes Königreich; die Texas Tech University, die University of California in Davis und das Las Cumbres Observatorium, USA; die Universität Potsdam, Deutschland; die Dänische Technische Universität, Dänemark; die Universität von Barcelona, Spanien; und die Universität von Valparaíso, Chile.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Mit der BlackGEM-Anlage können große Bereiche des Himmels schnell nach einer Quelle abgesucht werden, die Gravitationswellen ausgesandt hat, die von LIGO und Virgo entdeckt wurden. Die Teleskope wurden von einem Konsortium von Universitäten gebaut: der Netherlands Research School for Astronomy, der KU Leuven in Belgien und der Radboud University.

Links

• BlackGEM auf den ESO-Webseiten
• BlackGEM-Webseiten
• ESO-Teleskope beobachten erstes Licht einer Gravitationswellen-Quelle (Pressemitteilung)

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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• ESO

Der Beitrag BlackGEM-Teleskope gehen am La-Silla-Observatorium der ESO auf die Jagd nach Gravitationswellenquellen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Mit einem Happs ist alles im Schlund: Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, ist das ein gewaltiges kosmisches Ereignis, das die ganze Raumzeit erbeben lässt. Physikerinnen und Physiker freuen sich dann über die dabei entstehen Gravitationswellen, jenes Zittern der Raumzeit, das erstmals 2015 mit dem Gravitationswellendetektor LIGO gemessen wurde. Inzwischen ist die Entdeckung von solchen Verschmelzungen fast Routine geworden, über 90 Ereignisse zählt der dritte Gravitationswellenkatalog.

Doch schon das erste entdeckte Gravitationswellensignal namens GW150904 gab Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehrere Rätsel auf: Die beiden Schwarzen Löcher, die da miteinander verschmolzen, waren eigentlich viel zu massereich, um existieren zu dürfen. Und kaum hatte man sich darüber Gedanken gemacht, gab es schon das nächste Problem: Wie schafft es dieses kompakte Doppelsystem, sich überhaupt nahe genug zu kommen, um miteinander zu verschmelzen, ohne sich vorher schon zu zerstören? Und dazu müsste dieser kosmische Annäherungsversuch eigentlich länger brauchen, als das Universum alt ist.

Franzi erzählt Karl in dieser Podcast-Folge die Geschichte dieser kompakten Binärsysteme: Denn Forschende wissen inzwischen dank der Gravitationswellen, dass es sie gibt. Warum es sie gibt, ist hingegen weniger klar.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Schwarze Löcher
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Schwarze Löcher – wenn die Raumzeit zu stark zittert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 18. November 2022.

18. November 2022 – Wenn Schwarze Löcher im Universum aufeinanderprallen, dann beben Raum und Zeit: Die bei der Verschmelzung freiwerdende Energiemenge ist so groß, dass sie die Raumzeit in Schwingung versetzt – ähnlich wie Wellen auf einer Wasseroberfläche. Diese Gravitationswellen breiten sich durch das gesamte Universum aus und lassen sich auch in Tausenden von Lichtjahren Entfernung noch messen – so wie am 21. Mai 2019, als die beiden Gravitationswellenobservatorien LIGO (USA) und Virgo (Italien) ein solches Signal einfingen. Das nach dem Datum seiner Entdeckung GW190521 benannte Gravitationswellenereignis hat seither in der Fachwelt für Gesprächsstoff gesorgt, da es sich von den zuvor gemessenen Signalen deutlich unterscheidet.

Das Signal war zunächst so interpretiert worden, dass es sich bei der Kollision um zwei Schwarze Löcher handelte, die sich auf nahezu kreisförmigen Bahnen umeinander bewegen. „Solche binären Systeme können durch eine Reihe astrophysikalischer Prozesse entstehen“, erklärt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi, theoretischer Physiker von der Universität Jena. So seien die meisten von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher stellaren Ursprungs. „Das heißt, sie sind die Überreste von massereichen Sternen in Doppelsternsystemen“, so Bernuzzi weiter, der die aktuelle Studie leitete. Solche Schwarzen Löcher umrunden einander auf quasi kreisförmigen Bahnen, so wie es die ursprünglichen Sterne zuvor auch schon taten.

Ein Schwarzes Loch fängt ein zweites ein
„GW190521 verhält sich aber deutlich anders“, macht Rossella Gamba deutlich. Die Erstautorin der Publikation promoviert im Jenaer Graduiertenkolleg 2522 und gehört zu Bernuzzis Team. „Seine Morphologie und seine explosionsartige Struktur unterscheiden sich extrem von früheren Beobachtungen.“ Also machten sich Rossella Gamba und ihre Kollegen auf die Suche nach einer alternativen Erklärung für das außergewöhnliche Gravitationswellensignal. Mit einer Kombination aus modernsten analytischen Methoden und numerischen Simulationen auf Supercomputern berechneten sie unterschiedliche Modelle für die kosmische Kollision. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass diese statt auf einer quasi kreisförmigen auf einer stark exzentrischen Bahn erfolgt sein musste: Ein Schwarzes Loch bewegt sich dabei zunächst ungebunden in einer relativ dicht mit Materie gefüllten Umgebung und kann, sobald es in die Nähe eines anderen Schwarzen Loches gelangt, von dessen Gravitationsfeld „eingefangen“ werden. Auch dies führt zur Entstehung eines binären Systems, allerdings bewegen sich die beiden Schwarzen Löcher hier nicht kreisförmig, sondern exzentrisch, in taumelnden Bewegungen umeinander.

„Ein solches Szenario erklärt die Beobachtungen deutlich besser als jede andere bisher vorgestellte Hypothese. Die Wahrscheinlichkeit liegt bei 1:4300“, sagt Matteo Breschi, Doktorand und Koautor der Studie, der die Infrastruktur für die Analyse entwickelt hat. Und Postdoktorand Dr. Gregorio Carullo ergänzt: „Auch wenn wir derzeit noch nicht genau wissen, wie oft solche dynamischen Begegnungen von Schwarzen Löchern überhaupt vorkommen, rechnen wir nicht damit, dass sie häufig passieren.“ Das mache die aktuellen Ergebnisse umso spannender. Dennoch bedarf es noch weiterer Forschungsarbeit, um die Entstehungsprozesse von GW190521 zweifelsfrei aufzuklären.

Teamwork im Graduiertenkolleg
Für das aktuelle Projekt haben die Teams in Jena und Turin (im Rahmen des von der DFG geförderten Jenaer Graduiertenkollegs 2522 „Dynamics and Criticality in Quantum and Gravitational Systems”) einen allgemein-relativistischen Rahmen für die exzentrische Verschmelzung von Schwarzen Löchern entwickelt und die analytischen Vorhersagen mit Simulationen der Einsteinschen Gleichungen überprüft. Erstmals kamen bei der Analyse von Gravitationswellen-Beobachtungsdaten Modelle von dynamischen Begegnungen zum Einsatz.

Originalpublikation:
Gamba, R., Breschi, M., Carullo, G. et al.: GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes. Nat Astron (2022), doi.org/10.1038/s41550-022-01813-w, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01813-w.

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Gravitationswellen – Kollision mit Schlagseite erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Potsdam 5. Juli 2022.

5. Juli 2022 – Mit der innovativen Hypermodell-Analyse der Forscher können sie Modellentwicklungen testen und systematische Muster in zukünftigen Gravitationswellenbeobachtungen erkennen. Die dazugehörige Publikation erschien nun in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“.

Am Lebensende eines massereichen Sterns kann aus einer Supernova-Explosion ein extrem dichter Neutronenstern entstehen, mit einer Masse von bis zu einer Milliarde Tonnen pro Teelöffel Neutronensternmaterial. Die Verschmelzung zweier sich umkreisender Neutronensterne bedeutet also einen kosmischen Zusammenstoß gewaltigen Ausmaßes. Bei den Kollisionen solcher Sterne wird nicht nur eine enorme Energiemenge freigesetzt. Es werden auch Gravitationswellen, also winzige Änderungen im Gefüge der Raumzeit, ausgesendet. Zwei gut beobachtete Neutronensternfusionen sind GW170817 und GW190425. GW steht für „Gravitationswelle“, der Name bezieht sich auf das Datum, an dem man diese Ereignisse beobachtet hat, also der 17. August 2017 und der 25. April 2019. Sowohl GW170817 als auch GW190425 wurden mit den Laserinterferometern Advanced LIGO und Advanced Virgo hier auf der Erde gemessen. Im Fall von GW170817 konnten sogar elektromagnetische Signale in den Bereichen Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Ultraviolett, sichtbares Licht, Infrarot und Radiowellen gemessen werden.

Mit Simulationen der numerischen Relativitätstheorie versuchen Forschende weltweit auf Hochleistungsrechnern die Endphase der Verschmelzung und das ausgesendete Gravitationswellensignal zu modellieren. „Die direkte Berechnung von Gravitationswellen ist eine anspruchsvolle Aufgabe“, sagt Tim Dietrich, „denn die Einsteinschen Feldgleichungen, welche die Endphase der Kollision bestimmen, sind extrem schwer zu lösen.“ Daher werden Näherungsmodelle verwendet. „Mit unserem Hypermodell-Verfahren sind wir in der Lage, die Annahmen des Gravitationswellenmodells ohne rechenintensive Simulationen numerischer Relativität, aber dafür mithilfe der beobachteten Gravitationswellendaten zu testen“, erklärt Greg Ashton. Die beiden Wissenschaftler wendeten ihren neuen Ansatz auf die sicher nachgewiesenen Neutronensternkollisionen GW170817 und GW190425 an und fanden heraus, dass ein bestimmtes Wellenmodell die beobachteten Daten etwas besser erklären kann. „Da die Gravitationswellendetektoren dank weiterentwickelter Instrumente in Zukunft noch empfindlicher sein werden, erwarten wir, dass solche feinen Unterschiede deutlicher hervortreten. Die Systematik der Wellenformmodelle zu quantifizieren, wird es uns dann ermöglichen, die grundlegenden physikalischen Prinzipien stärker einzuschränken“, fasst Tim Dietrich zusammen.

Publikation
Gregory Ashton and Tim Dietrich, Understanding binary neutron star collisions with hypermodels, Nature Astronomy, 2022, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01707-x

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• Gravitationswellen

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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

Der Beitrag Mehr Rechenleistung für die Suche nach kontinuierlichen Gravitationswellen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

28. Februar 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat möglicherweise den „Schallknall“ einer sogenannten Kilonova entdeckt. So bezeichnet man die gewaltige Explosion, die entsteht, wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren. Die Kilonova „GW170817“ im Sternbild Hydra ist das erste Objekt überhaupt, bei dem sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung gemessen werden konnten. Seinen Namen trägt „GW170817“, weil es am 17. August 2017 entdeckt wurde: Die Laser-Interferometer LIGO (in den USA) und Virgo (in Italien) haben an diesem Tag die Gravitationswellen registriert, die mit einem Ausbruch von Gammastrahlen zusammenfielen.

Seitdem haben Astronomen Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum auf GW170817 gerichtet und untersuchen seine Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum. Chandra ist dabei das einzige Observatorium, das mehr als vier Jahre nach dem Ereignis immer noch Strahlung registrieren kann, die von dieser außergewöhnlichen kosmischen Kollision stammt. „Die unmittelbaren Folgen einer Neutronensternverschmelzung untersuchen zu können, ist absolutes Neuland“, sagt Aprajita Hajela von der Northwestern University (USA), die die aktuelle Studie von GW170817 mit Chandra geleitet hat.

Verschmolzene Neutronensterne strahlen Materie-Jet ab
Bisher gehen Astronomen davon aus, dass nach der Verschmelzung von Neutronensternen deren Trümmer sichtbares und infrarotes Licht abstrahlen, das beim Zerfall radioaktiver Elemente entsteht. Dieser Lichtausbruch wird als Kilonova bezeichnet. Im Fall von GW170817 konnten tatsächlich auch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung mehrere Stunden nach den Gravitationswellen entdeckt werden. Im Röntgenspektrum sah die Neutronensternverschmelzung allerdings ganz anders aus: Unmittelbar nach der Entdeckung von GW170817 richtete Chandra seinen „Röntgenblick“ auf das Objekt und registrierte – nichts. Erst mehrere Tage später, am 26. August 2017, konnte Chandra GW170817 als punktförmige Röntgenstrahlungsquelle ausmachen.

Diesen Umstand erklären die Forschenden damit, dass die verschmolzenen Neutronensterne einen schmalen „Jet“ aus hochenergetischen Teilchen abstrahlen, der „off-axis“, also nicht direkt auf die Erde ausgerichtet ist. Sie vermuten, dass Chandra den schmalen Jet ursprünglich von der Seite beobachtete und daher unmittelbar nach der Entdeckung der Gravitationswellen noch keine Röntgenstrahlen sah. Im Laufe der Zeit verlangsamte sich jedoch das abgestrahlte Material und der Jet-Kegel verbreiterte sich, da er auf umgebende Materie prallte. Dies führte dazu, dass sich der Kegel des Jets immer mehr in die direkte Sichtlinie von Chandra ausdehnte und so die Röntgenstrahlung gemessen werden konnte.

Kosmisches Nachglühen oder neues Schwarzes Loch
Seit Anfang 2018 wurde die von dem Jet verursachte Röntgenstrahlung immer schwächer, da sich der Jet weiter verlangsamte und ausdehnte. Hajela und ihr Team stellten dann jedoch fest, dass der Helligkeitsrückgang ab März 2020 bis Ende 2020 stoppte und die Strahlung in diesem Zeitraum konstant blieb. „Etwas anderes als der Jet selbst muss dafür verantwortlich sein“, sagt Koautorin Raffaella Margutti von der University of California in Berkeley (USA).

Eine mögliche Erklärung für diese neue Röntgenstrahlungsquelle war, dass die sich ausdehnenden Trümmer der Verschmelzung einen „Schock“ erzeugt haben, ähnlich dem Überschallknall eines Überschallflugzeugs. Dieser Schock erhitzt Material, das selbst Strahlung erzeugt und als Kilonova-Nachglühen bezeichnet wird. Eine alternative Erklärung wäre, dass die zusätzlichen Röntgenstrahlen von Material stammen, das in ein Schwarzes Loch fällt, welches sich nach der Verschmelzung der Neutronensterne gebildet haben müsste. „Dies wäre entweder das erste Mal, dass wir ein Kilonova-Nachglühen sehen oder das erste Mal, dass wir Material sehen, das nach einer Neutronensternverschmelzung auf ein Schwarzes Loch fällt“, sagt Koautor Joe Bright, ebenfalls von der University of California in Berkeley.

Simulationen und Einsteins Relativitätstheorie können die Beobachtungen erklären
Um zu ermitteln, welche der beiden Erklärungen zutreffend ist, müssen die Astronomen GW170817 weiterhin beobachten und neben den Röntgenstrahlen auch mögliche Radiowellen messen. Wenn es sich um ein Kilonova-Nachglühen handelt, wird die Radioemission voraussichtlich mit der Zeit heller werden. Handelt es sich dagegen um Materie, die auf ein neu entstandenes Schwarzes Loch fällt, dann sollte die Röntgenstrahlung konstant bleiben oder schnell abnehmen und es wird keine Radioemission auftreten.

Hier kommen nun Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi und der ehemalige Doktorand Vsevolod Nedora von der Universität Jena ins Spiel, die beide Koautoren der aktuellen Publikation sind. Sie haben die Massenausflüsse, von denen das Kilonova-Signal ausgeht, in einem großen Satz von Simulationen, die speziell auf GW170817 ausgerichtet sind und neueste mikrophysikalische Modelle beinhalten, analysiert. Sie berechneten das zu erwartete Kilonova-Nachleuchten und konnten eine Übereinstimmung mit den Chandra-Beobachtungen feststellen. „Die enge Zusammenarbeit von astronomisch und theoretisch arbeitenden Teammitgliedern war der Schlüssel zur Identifizierung der möglichen Szenarien für den Ursprung der späten Röntgenemission von GW170817“, betont Sebastiano Bernuzzi.

Dennoch ist weitere Forschung und Beobachtung von GW170817 notwendig und könnte so Koautorin Kate Alexander, ebenfalls von der Northwestern University, weitreichende neue Erkenntnisse liefern. „Der Nachweis eines Kilonova-Nachleuchtens würde bedeuten, dass bei der Verschmelzung nicht sofort ein Schwarzes Loch entstanden ist. Alternativ könnte dieses Objekt den Astronomen die Möglichkeit bieten, zu untersuchen, wie Materie einige Jahre nach der Entstehung eines Schwarzen Lochs auf dieses fällt.“ Kürzlich ist bei neuen Chandra-Beobachtungen weitere Strahlung entdeckt worden, Radiowellen in Verbindung mit der aufkommenden Röntgenstrahlung sind bisher aber nicht gemessen worden.

Originalpublikation
Hajela, A. et al.: The emergence of a new source of X-rays from the binary neutron star merger GW170817
The Astrophysical Journal Letters

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Kosmischer Schallknall: Was der Röntgenblick über eine Kilonova enthüllt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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).

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.

Quelle: ESO ESON.

23. Oktober 2019 – Zum ersten Mal wurde ein frisch produziertes schweres Element – Strontium – im Weltraum nachgewiesen, nachdem zwei Neutronensterne miteinander verschmolzen. Dieser Befund wurde vom X-Shooter-Spektrografen der ESO am Very Large Telescope (VLT) beobachtet und wird heute in Nature veröffentlicht. Die Detektion bestätigt, dass sich die schwereren Elemente im Universum bei Neutronensternfusionen bilden können, was bislang als fehlendes Puzzleteil bei der Entschlüsselung der chemischen Elementbildung galt.

Nach der Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2017 richtete die ESO ihre Teleskope in Chile, einschließlich des VLT, auf die Quelle des Signals: eine Verschmelzung von Neutronensternen mit dem Namen GW170817. Astronomen vermuteten dass, wenn sich bei Neutronensternkollisionen schwerere Elemente bilden würden, Signaturen dieser Elemente in Kilonovae, den explosiven Folgen dieser Fusionen, nachgewiesen werden könnten. Genau das hat jetzt ein europäisches Forscherteam getan, das Daten aus dem X-Shooter-Instrument des ESO VLT nutzte.

In der Folge der Entdeckung von GW170817 begannen die von der ESO betriebenen Teleskope mit der Überwachung der entstehenden Kilonova-Explosion über einen weiten Wellenlängenbereich. Insbesondere X-Shooter nahm eine Reihe von Spektren vom ultravioletten bis zum nahen Infrarot auf. Die erste Analyse dieser Spektren deutete auf das Vorhandensein schwerer Elemente in der Kilonova hin, aber die Astronomen konnten bisher keine einzelnen Elemente identifizieren.

„Durch die Neuanalyse der im Jahr 2017 gewonnenen Daten des Ereignisses haben wir nun die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball, Strontium, identifiziert und damit bewiesen, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt“, erläutert der Hauptautor der Studie, Darach Watson von der Universität Kopenhagen in Dänemark. Auf der Erde kommt Strontium natürlich im Boden vor und ist in bestimmten Mineralien konzentriert. Seine Salze werden verwendet, um dem Feuerwerk eine leuchtend rote Farbe zu verleihen.

Astronomen kennen seit den 1950 er Jahren die physikalischen Prozesse, die die Elemente erzeugen. In den folgenden Jahrzehnten haben sie die kosmischen Standorte jeder dieser großen Elementfabriken, mit Ausnahme einer, entdeckt. „Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Suche, um den Ursprung der Elemente zu ermitteln“, führt Watson aus. „Wir wissen jetzt, dass die Prozesse, die die Elemente geschaffen haben, hauptsächlich in gewöhnlichen Sternen, in Supernova-Explosionen oder in den äußeren Schichten alter Sterne stattfanden. Aber bis jetzt wussten wir nicht, wo sich der letzte, unentdeckte Prozess befand, der als schneller Neutroneneinfang bekannt ist und der die schwereren Elemente im Periodensystem erzeugt.“

Der schnelle Neutroneneinfang ist ein Prozess, bei dem ein Atomkern Neutronen so schnell aufnimmt, dass sehr schwere Elemente erzeugt werden können. Obwohl viele Elemente in den Kernen von Sternen produziert werden, erfordert die Herstellung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, wie beispielsweise Strontium, eine noch heißere Umgebung mit vielen freien Neutronen. Der schnelle Neutroneneinfang erfolgt nur in extremen Umgebungen, in denen Atome mit einer großen Anzahl von Neutronen bombardiert werden.

„Dies ist das erste Mal, dass wir neu geschaffenes Material, das durch Neutroneneinfang gebildet wurde, direkt mit einer Neutronensternfusion assoziieren können, die zudem bestätigt, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen, und den lang diskutierten schnellen Neutroneneinfangprozess mit solchen Kollisionen verknüpft“, erklärt Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die eine wichtige Rolle bei der Studie spielte.

Erst jetzt beginnen die Wissenschaftler, die Verschmelzungen von Neutronenstern und Kilonovae besser zu verstehen. Aufgrund des begrenzten Verständnisses dieser neuen Phänomene und anderer Komplexitäten in den Spektren, die der X-Shooter des VLT von der Explosion aufgenommen hat, waren die Astronomen bisher nicht in der Lage gewesen, einzelne Elemente zu identifizieren.

„Wir kamen eigentlich auf die Idee, dass wir Strontium ziemlich schnell nach dem Ereignis sehen sollten. Der Nachweis, dass dies eindeutig der Fall war, erwies sich jedoch als sehr anspruchsvoll. Diese Schwierigkeit ist auf unsere sehr unvollständigen Kenntnisse über das spektrale Erscheinungsbild der schwereren Elemente im Periodensystem zurückzuführen“, führt der Forscher der Universität Kopenhagen, Jonatan Selsing aus, der ein wichtiger Autor des Artikels war.

Das Ereignis GW170817 war die fünfte Detektion von Gravitationswellen, die dank des Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) des NSF in den USA und des Virgo Interferometer in Italien möglich wurde. Die Verschmelzung in der Galaxie NGC 4993 war die erste und bisher einzige Gravitationswellenquelle, bei der das sichtbare Gegenstück von Teleskopen auf der Erde erkannt wurde.

Durch die gemeinsamen Anstrengungen von LIGO, Virgo und VLT haben wir das bisher klarste Verständnis für das Innenleben von Neutronensternen und deren explosive Fusionen gewonnen.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wird in einem Papier vorgestellt, das am 24. Oktober 2019 in Nature erscheint.

Die beteiligten Wissenschaftler sind D. Watson (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), C. J. Hansen (Max-Planck-nstitut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland), J. Selsing (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Koch (Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Deutschland), D. B. Malesani (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. C. Andersen (Niels Bohr Institute, Universität Kopenhagen, Dänemark), J. P. U. Fynbo (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Arcones (Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, Deutschland & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland), A. Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland & Heidelberger Institut für theoretische Studien, Deutschland), S. Covino (Astronomisches Observatorium Brera, INAF, Mailand, Italien), A. Grado (Capodimonte Astronomisches Observatorium, INAF, Neapel, Italien), K. E. Heintz (Zentrum für Astrophysik und Kosmologie, Wissenschaftsinstitut, Universität Island, Reykjavík, Island & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), L. Hunt (Arcetri Astrophysikalisches Observatorium, INAF, Florenz, Italien), C. Kouveliotou (George Washington University, Physics Department, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technische Universität Dänemark, & Niels Bohr Institute, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Levan (Department of Physics, University of Warwick, UK), P. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK & Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Deutschland), E. Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, INAF, Bologna, Italien).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Der Beitrag ESO: Strontium im All nachgewiesen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

Am 25. April 2019 beobachteten eines der beiden LIGO-Instrumente und der Virgo-Detektor ein Kandidatensignal. Dies wäre – wenn es bestätigt wird – die erste Verschmelzung zweier Neutronensterne im dritten Beobachtungslauf (O3) der Gravitationswellen-Detektoren, der am 1. April begann. Ein zweites mögliches Signal wurde am 26. April nachgewiesen, das – wenn es bestätigt wird – eine nie zuvor beobachtete Kollision eines Neutronensterns mit einem schwarzen Loch sein könnte. Das zweite Ereignis wurde sowohl von beiden LIGO-Instrumenten als auch vom Virgo-Detektor beobachtet. Dutzende von Teleskopen auf der Erde und im All sind auf der Suche nach passenden Signalen im elektromagnetischen Spektrum und der Astroteilchenphysik. Bisher gelang für keinen der Kandidaten die Identifizierung eines elektromagnetischen Signals oder einer Ursprungsgalaxie.
„Da im dritten Beobachtungslauf ein größeres Volumen des Universums untersucht wird, können wir nun seltenere und extremere Ereignisse wie die Kollision eines Neutronensterns mit einem anderen kollabierten Stern beobachten“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. „Wir erwarten in den kommenden Monaten viele weitere Entdeckungen“, fügt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover hinzu. „Theorie und Experiment arbeiten Hand in Hand, um die Geheimnisse des Universums zu lösen.“

Die LIGO Scientific Collaboration und die Virgo Collaboration haben bereits im ersten Monat von O3 drei Kandidaten von Verschmelzungen binärer schwarzer Löcher identifiziert: am 8. April, 12. April und 21. April.

Gravitationswellen-Beobachtungen des Ereignisses „S190425z“
Als die Gravitationswelle am 25. April um 8:18 UTC auf der Erde ankam, nahmen nur das LIGO-Livingston-Instrument und der Virgo-Detektor Daten auf. LIGO Livingston registrierte das Ereignis (derzeit „S190425z“ genannt), das für Virgo zu schwach war, um es mit hoher statistischer Signifikanz nachzuweisen.

Aus diesen Gründen ist die Lokalisierung von S190425z am Himmel ungenauer als die von GW170817, der ersten Neutronensternverschmelzung, die durch Gravitationswellen entdeckt wurde. Diese von drei Detektoren beobachtete Verschmelzung war viel näher und damit lauter. Erste LIGO/Virgo-Beobachtungen schränkten die Himmelsposition von S190425z auf zwei Bereiche ein, die zusammen einen großen Teil (etwa 25%) des Himmels ausmachten.

Die automatisierte Analyse des Kandidaten bewertete diesen mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 99% als Verschmelzung zweier Neutronensterne. Weitere Untersuchungen durch LIGO/Virgo-Forscher*innen verbesserten die Himmelslokalisierung und ergaben, dass das Signal im Abstand von 370 bis 640 Millionen Lichtjahren zur Erde entstand. GW170817 war etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernt.

Gravitationswellen-Beobachtungen des Ereignisses „S190426c“
Ein zweites (statistisch weniger signifikantes) Kandidaten-Signal wurde am 26. April um 15:22 UTC von beiden LIGO-Detektoren und dem Virgo-Instrument beobachtet. Das Ereignis namens „S190426c“ könnte die allererste Beobachtung eines Neutronensterns sein, der mit einem schwarzen Loch kollidiert oder aber eine weitere Verschmelzung zweier Neutronensterne.

Die LIGO/Virgo-Analyse schätzte für dieses Ereignis eine relativ große Entfernung von 900 Millionen bis 1,6 Milliarden Lichtjahren und stellte Astronom*innen eine Himmelskarte zur Suche nach passenden Signalen im elektromagnetischen Spektrum und der Astroteilchenphysik bereit.

Suche nach passenden Signalen
Nach den beiden öffentlichen LIGO/Virgo-Hinweisen zu S190425z und S190426c wurden mehr als 160 Berichte von elektromagnetischen und Astroteilchen-Observatorien auf der Erde und im All veröffentlicht. Bisher hat keines von ihnen ein zu den Gravitationswellen-Kandidaten passendes Signal identifiziert. Weitere Beobachtungen sind im Gange.

Die LIGO/Virgo-Forscher*innen analysieren derzeit ihre Gravitationswellendaten genauer, um die statistische Signifikanz beider Ereignisse und die astrophysikalischen Eigenschaften ihrer jeweiligen Quellen besser zu verstehen.

Die Kooperationen
LIGO wird von der NSF finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die LIGO konzipierten und die Initial- und Advanced-LIGO-Projekte leiteten. 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. Etwa 1.300 Wissenschaftler*innen aus der ganzen Welt sind durch die LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO Collaboration gehört, an der Unternehmung beteiligt. Eine Liste weiterer Partner finden Sie unter https://my.ligo.org/census.php.

Die Virgo-Kollaboration besteht derzeit aus etwa 350 Physiker*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen von ca. 70 Instituten aus Belgien, Frankreich, Deutschland, Ungarn, Italien, den Niederlanden, Polen und Spanien. Das European Gravitational Observatory (EGO) betreibt den Virgo-Detektor nahe Pisa in Italien, und wird gefördert vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien und Nikhef in den Niederlanden. Eine Liste der Mitglieder 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 Beitrag LIGO und Virgo sehen Neutronenstern-Verschmelzungen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Erstellt von Viktoria Schöneich. Quelle: LIGO

Gravitationswellen wurden erstmals 1916 von Albert Einstein postuliert – ein Jahr, nachdem er bereits seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte. Demnach erzeugen Bewegungen einer Masse im Raum eine Krümmung der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Amplitude dieser Welle und damit ihre „Stärke“ hängt maßgeblich von der bewegten Masse ab; d.h. der Finger, mit dem Sie diesen Artikel scrollen, erzeugt eine weitaus schwächere Welle als zwei verschmelzende schwarze Löcher. Dies ist auch das Ereignis, das man nun nachgewiesen hat: Die Welle hatte genau die Form, die von Einsteins Theorie für diesen Fall vorhergesagt wird.

Allerdings sind die Effekte von Gravitationswellen selbst bei einem so dramatischen Ereignis verhältnismäßig klein. Auf einer Strecke von 4 km wurde gerade einmal eine Längenänderung von einem Zeptometer detektiert. Zum Vergleich: der Durchmesser eines Protons ist etwas eine Million mal größer. Bei diesen Dimensionen ist es nicht verwunderlich, dass bereits Einstein daran zweifelte, ob die von ihm theoretisch vorhergesagten Wellen jemals gefunden werden würden.

Messtechniken
Angesichts des experimentell doch sehr schwierigen direkten Nachweises konzentrierte man sich zunächst einmal darauf, die Gravitationswellen indirekt nachzuweisen. Der Grundgedanke hierbei ist, dass die Energie, die die Welle transportiert, von irgendwo her kommen muss. Es muss sich also eine energetische Änderung des Ursprungssystems ergeben, die beobachtbar sein sollte. Tatsächlich konnten Hulse, Taylor und Weisberg im Jahr 1975 nachweisen, dass sich in einem binären Pulsarsystem die zwei Körper immer weiter annäherten. Der Verlust der Rotationsenergie entsprach dem Energiegehalt der vorhergesagten Welle. Diese Beobachtung brachte den Forschern den Nobelpreis ein.

Trotz der technischen Schwierigkeiten wurden bereits in den 60ern erste Versuche unternommen, Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Zunächst geschah dies in Form von Resonanzdetektoren. Dabei wird eine oftmals zylindrische Testmasse störungsfrei aufgehängt und soll auf einen bestimmten Anteil der Gravitationswelle resonant reagieren, also das Signal der Welle verstärken. Der Nachteil an diesem Detektor ist, wie sich bereits erahnen lässt, dass er nur bestimmte Gravitationswellen nachweisen kann, da er nur bei bestimmten Frequenzen resonant ist. Später wurde durch das Herabkühlen des Zylinders auf wenige Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt zwar eine Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht, aber auch mit diesem Aufbau gelang ein direkter Nachweis nicht.

Zeitgleich mit dem Bau der Resonanzdetektoren wurden bereits Laserinterferometer vorgeschlagen, die sich jedoch wegen zu lösender technischer und konzeptueller Schwierigkeiten zunächst auf theoretische Studien und kleinere Experimente beschränkten. Ein Laserinterferometer basiert auf dem Prinzip der konstruktiven und destruktiven Interferenz: Treffen zwei Wellenberge aufeinander, verstärkt sich das Signal (konstruktiv), trifft Wellenberg auf Wellental, wird das Signal ausgelöscht (destruktiv). Dazwischen liegen natürlich noch viele weitere Zustände, die gemessen werden können und Informationen über die Verschiebung von zwei Lichtsignalen zueinander enthalten.

Kurz nach der Jahrtausendwende begann man schließlich damit, weltweit Laserinterferometer zu bauen. Das Messprinzip basiert hierbei auf dem Michelson-Interferometer, das vielleicht dem einen oder anderen Leser noch aus der Schulzeit geläufig ist. Ein Laser sendet Licht aus, das an einem halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt wird und auf zwei normale Spiegel trifft. Das dort reflektierte Licht trifft nun wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel und wird anschließend auf einen Detektor geleitet. Auf diesem erscheint dann die Interferenz. Werden die senkrecht zueinander stehenden Röhren von einer Gravitationswelle gestreckt oder gestaucht, findet eine Phasenverschiebung statt und es wird eine Änderung der Interferenz detektiert.

Die Versuchsanlagen wurden an verschiedenen Orten auf der Erde errichtet: so werden lokale Fehlerquellen wie beispielsweise leichte Erdbeben ausgeschlossen. Standorte solcher Detektoren sind unter anderem Japan, Italien und Deutschland. Die Entdeckung gemacht hat jedoch das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA; um genau zu sein eine in der Messgenauigkeit verbesserte Variante mit dem Namen aLIGO (Advanced LIGO), die erst 2015 in Betrieb genommen wurde.

Der erste direkte Nachweis

Am 14. September 2015 wurde schließlich ein Signal an den Standorten in Hanford (Bundesstaat Washington) und Livingston (Louisiana) unabhängig voneinander detektiert. Das entscheidende Signal ist eine in der Amplitude schnell anwachsende Welle, die nach dem Verschmelzen der schwarzen Löcher wieder auf annähernd 0 herabfällt. Das ganze Ereignis dauerte nicht länger als 150 ms. Zu diesem Zeitpunkt waren die anderen Gravitationswellendetektoren abgeschaltet oder nicht im Observationsmodus, weswegen das Signal nur von den zwei genannten Detektoren erfasst werden konnte.

Nach der Entdeckung wurden zunächst mögliche Fehlerquellen ausgeschlossen. Sensoren, die während des Betriebs eine Messung von Störungen aus der Umgebung vornehmen, zeigten keine Störung an, die stark genug wäre, das Signal zu erklären. Auch die Instrumente wurden untersucht und es konnte ausgeschlossen werden, dass das Signal auf einen Fehler der Instrumente zurückzuführen ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass das gemessene Signal auf Hintergrundrauschen zurück zu führen ist, wird mit 0,0002% angegeben, was einer faktischen Entdeckung gleichkommt.

Eine neue Ära der Weltraumerkundung
Oft wurde der Vergleich bemüht, dass der direkte Nachweis dieser Wellen der Entdeckung des elektromagnetischen Spektrums gleichkäme: Man könne nun das Universum mit anderen Augen betrachten und das gravitative Universum entdecken. Diese Annahme ist nicht falsch, denn bereits mit dieser ersten Entdeckung wurden Vorgänge beobachtet, die mit unseren bisherigen Beobachtungsmöglichkeiten nicht detektierbar gewesen wären. Da schwarze Löcher, wenn sie nicht gerade von einer Scheibe aus Materie umgeben sind oder ihre Umgebung sichtbar beeinflussen, unsichtbar sind, wäre das sehr kurze Ereignis zweier verschmelzender schwarzer Löcher anders als über ihre Gravitationswellen nicht detektierbar gewesen. Dass binäre Systeme schwarzer Löcher existieren, war bis zu ihrer Entdeckung im vergangenen September auch nur eine theoretische Annahme.

Die Forschung erhofft sich weiterhin Einblicke in die gewaltigsten Ereignisse des Universums wie zum Beispiel Urknall und Supernovae und Erkenntnisse über die massereichsten Körper wie Neutronensterne. Auch die mysteriöse dunkle Materie, die bisher lediglich indirekt über ihre gravitative Wirkung nachgewiesen wurde, könnte mit Hilfe der Gravitationswellen untersucht werden.

In Zukunft sollen die Detektoren auf der Erde in ihrer Messgenauigkeit verbessert werden, um auch kleinere Ereignisse beobachten zu können. Mit eLISA ist außerdem für das Jahr 2034 ein Weltraumobservatorium für Gravitationswellen geplant. Eine Vorgängermission, LISA Pathfinder, wurde Ende letzten Jahres ins All geschickt und wird Anfang März beginnen, die anspruchsvolle Technik für eLISA zu erproben.

Die Gravitationswellenastronomie bietet ein großes Potential, unser Universum noch besser zu verstehen und vielleicht auch gänzlich neue, überraschende Entdeckungen zu machen.

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Gravitationswellen erstmals direkt nachgewiesen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roman van Genabith. Quelle: RN Interview.

Durch das Square Kilometer Array erhoffen sich Astronomen und Kosmologen neue Erkenntnisse über die Entstehung und die frühe Geschichte des Universums. Darüber hinaus stellt das SKA ein Leuchtturmprojekt dar, das nicht nur rein wissenschaftliche Herausforderungen angeht.

Raumfahrer.net (RN) sprach mit Dominik Schwarz, Mitglied der SKA Science Working Group, über das SKA, seine wissenschaftlichen und technologischen Implikationen, sowie die geopolitischen Dimensionen des transkontinentalen Forschungsvorhabens.

RN: Bevor wir beginnen, wollen Sie sich vielleicht zunächst kurz vorstellen und ein wenig über sich und den Weg, der Sie zur Physik und letztlich zur Kosmologie geführt hat, erzählen?
Prof. Dr. Schwarz: Mein Name ist Dominik Schwarz. Ich bin Kosmologe an der Universität Bielefeld. Ich hatte irgendwann ein mal entschieden, mich für ein Physikstudium zu interessieren. Nach meinem Physikstudium bin ich zunächst in die theoretische Teilchenphysik gegangen. Dann bin ich über den Zusammenhang zwischen der Teilchenphysik und den Fragen des frühen Universums zur Kosmologie gekommen, die auch Thema meiner Promotion wurde. Seitdem bin ich in diesem Feld aktiv.
RN: Wie führte Ihr Weg Sie anschließend zum SKA-Projekt? Wie sprechen Sie das eigentlich aus, wie S K A oder Ska, die Musikrichtung?
Schwarz (Lacht): Wir sagen S K A. In den letzten Jahren haben wir uns primär mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund beschäftigt, das ist die erste Strahlung, die man aus dem Universum beobachten kann, da sie aus der Zeit stammt, als das Universum zum ersten Mal durchsichtig wurde.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund, aufgrund der geringen Energiedichte auch Drei-Kelvin-Strahlung genannt, erfüllt das gesamte Universum und stammt aus der Zeit ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall. Er gilt allgemein als Beleg für die Urknalltheorie des Standard-Modells.

Bei diesen Überlegungen sind uns einige Ungereimtheiten aufgefallen, und ich fing an darüber nachzudenken, ob man mit anderen Teleskopen mehr über diese Zeit lernen kann, als wir es über die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds können. Auf diesem Weg kam ich dann zunächst auf das LOFAR-Projekt (Low-Frequency-Array), ein derzeit aktives Radioteleskop mit seinem Aktionsschwerpunkt in den Niederlanden, 36 Stationen, und sechs Stationen in Deutschland – drunter unter anderem eine gemeinsam mit der Sternwarte Hamburg betriebene Anlage in Norderstedt. LOFAR misst ein Wellenspektrum von 30-150 MHz, also rund um das FM-Band. Das LOFAR-Projekt gilt als Pfadfinderprojekt zu SKA. Hierüber bin ich letztendlich zur SKA-Community gestoßen.

RN: Dann sprechen wir mal über SKA. Das steht ja für Square Kilometer Array. Das Teleskop soll also eine Gesamtfläche von einem Quadratkilometer aufweisen?
Schwarz: Das war ursprünglich die Idee. Die Lichtsammelfläche aller Antennen und Schüsseln sollte einen Quadratkilometer ergeben. Das ist nicht, was derzeit geplant ist. SKA wird nicht diese monströse Lichtsammelfläche haben, wird aber trotzdem das weltgrößte Radioteleskop werden. Die Lichtsammelfläche wird in etwa 15 Fußballfeldern entsprechen. Das ist deutlich weniger als ein Quadratkilometer, aber es ist trotzdem eine riesige Fläche.
RN: Sprechen wir ein mal über die Grundlagen, den Aufbau und auch die geografische Anordnung. SKA ist ja buchstäblich transkontinental.
Schwarz: Ja! Das SKA soll als erstes globales astronomisches Großprojekt auf zwei Kontinenten entstehen, und zwar zum einen Teil in Australien und zum anderen Teil in Afrika, genauer gesagt zum größten Teil in Süd-Afrika, zumindest im ersten Bauabschnitt. In weiteren Ausbaustufen dann auch in anderen südafrikanischen Staaten. Es werden in den beiden Kontinenten verschiedene Antennentypen aufgebaut. Wie viele von welchem Typ an welchem Ort ist derzeit Gegenstand unserer Vorarbeiten.
Es geht dabei darum ein Teleskop aufzubauen, das mit einem festen Budget (etwa 640 Millionen Euro) ein Maximum an Wissenschaft zulässt. Deshalb versuchen wir derzeit in genauer Detailplanung herauszufinden, welche Technologie, welche Geräte an welcher Stelle uns am besten helfen. Soll ich lieber mehr in den einen Antennentyp investieren und dafür in den anderen weniger, das Geld gleichmäßig verteilen über das gesamte Frequenzspektrum, das sind Fragen, die uns im derzeitigen Planungsstadium beschäftigen.

RN: Das ist ja doch häufiger ein Problem in Astronomie- und Raumfahrtprojekten, dass die Diskrepanzen von Budget und Feature Request die Planungen übermäßig in die Länge ziehen und komplizieren.
Schwarz: Ja natürlich, aber man muss das auf der anderen Seite auch positiv sehen, als einen zusätzlichen Kreativitätsanreiz. Wenn man ein fixes Budget für eine Sache hat, dann fördert das die Kreativität mehr und bringt vielleicht innovativere Ideen hervor als wenn man unbegrenzte Geldmittel zur Verfügung hätte.
RN: Aus Ihrer Website geht hervor, dass sie Mitglied in der SKA Science Working Group sind. Können Sie kurz die Rolle dieser Arbeitsgruppe innerhalb des SKA-Projekts erläutern? Ist das die wissenschaftliche Expertise, die die gewünschten Zielvorstellungen skizzieren soll?

Schwarz: Ja genau. Die Science Working Group ist dafür zuständig, dazulegen, welche wissenschaftliche Fragen das SKA angehen könnte, und durch Simulationsrechnungen herauszufinden, welche technischen Spezifikationen das SKA erfüllen sollte, damit unsere wissenschaftlichen Ziele erreicht werden können. Wir wollen zum Beispiel mehr über die großräumige Verteilung von Materie im Universum lernen. Dabei müssen wir uns zum Beispiel fragen, wie viele Teleskope brauchen wir, welche Auflösung brauchen wir dafür. So geht unser Input an die anderen Gruppen, die an Aspekten wie Design und Technologie arbeiten. Auf der anderen Seite kriegen wir zum Beispiel von den Ingenieuren Input über die Machbarkeit bestimmter Anforderungsprofile.
RN: Die Science Working Group ist ein sehr internationales Team.
Schwarz: Ja, das ist komplett international gemischt. Viele Mitglieder sind auch Wissenschaftler aus Ländern, die nicht oder noch nicht am SKA-Projekt beteiligt sind, wobei wir auch davon ausgehen, dass sich in den nächsten Jahren noch weitere Staaten für das Projekt begeistern werden, und es noch nicht endgültig feststeht, wer alles mitmacht.

RN: Bevor wir zu den zentralen wissenschaftlichen Fragen der SKA-Arbeit kommen, noch eine Frage zur dezentralen Komponente des Projekts. Wie kommt diese starke räumliche Verteilung zustande, oder anders gefragt, wieso baut man nicht einfach eine einzige Riesenschüssel?
Schwarz: Das SKA wird als Interferometer funktionieren und nicht als ein Einzelteleskop. Ein Interferometer ist die Zusammenschaltung vieler einzelner Antennen zu einem großen Verbund. Das hat einerseits den großen Vorteil, dass man dadurch enorme Kosten sparen kann.

Zum anderen ist, wenn man zum Beispiel an Teleskope wie das Effelsberg-Radioteleskop denkt, die Größe dessen, was mit klassischen Stahlkonstruktionen realisiert werden kann, nahezu erreicht. Wir wollen aber eine wesentlich darüber hinaus gehende Lichtsammelfläche haben. Um das zu erreichen müssen wir viele viele kleinere Antennen nehmen – die jede für sich deutlich billiger ist – und diese dann via Netzwerk zusammenschalten.

ExkursMit 100 Metern Durchmesser gehört das Radioteleskop Effelsberg zu den größten vollbeweglichen Radioteleskopen der Erde. Seit der Inbetriebnahme im Jahre 1972 wurde kontinuierlich an der Verbesserung seiner Technologie gearbeitet (z.B. eine neue Oberfläche der Antennen-Schüssel, bessere Empfänger für hochqualitative Daten, extrem rauscharme Elektronik), so dass es auch heute noch als eins der weltweit modernsten Teleskope gilt. (vgl. “ MAX-PLANCK-Institut für Radioastronomie – Radioteleskop Effelsberg“)

RN: Sprechen wir über die zukünftigen Aufgabenfelder von SKA. Zu ihnen zählt u.A. die Prüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Theorie existiert ja schon eine ganze Weile. Wie wollen Sie an dieser Theorie mit SKA forschen?
Schwarz: Wir wollen sie ganz hart testen. Wir wollen fragen, ob alle Vorhersagen, die die Allgemeine Relativitätstheorie trifft auch eintreffen und eine dieser Vorhersagen ist zum Beispiel: Es gibt Gravitationswellen.

RN: Perfekte Überleitung. Genau das wäre mein nächster Punkt gewesen.
Schwarz (lacht): Das ist eigentlich fast die spektakulärste Vorhersage dieser Theorie von Einstein, dass es etwas gibt wie Wellen, die Raum und Zeit verzerren. Die Methode, mit der SKA diese Gravitationswellen messen will, funktioniert über die Beobachtung von Pulsaren, sehr kompakte Sterne mit einem ungefähren Durchmesser von nicht mehr als zehn Kilometern bei einem ungefähren Gewicht unserer Sonne.

Diese Radiosterne rotieren sehr schnell, mehrere Tausend Umdrehungen in der Sekunde und senden dabei einen regelmäßigen Radiopuls aus, den unsere Radioteleskope messen können. Da diese Objekte nun so kompakt sind und so schnell rotieren, können wir sie quasi als Uhr verwenden. Würde nun eine angenommene Gravitationswelle zwischen dem aussendenden Radiostern und dem messenden Teleskop diese gedachte Linie des Radiopulses schneiden, würde das den Durchgang des Pulses verändern. Die Pulsaruhr würde um einen messbaren Zeitbetrag abweichen, verglichen mit einer Referenzzeit, einer Atomuhr auf der Erde beispielsweise. Mit einem Teleskop von der Größe des SKA kann man nun ganze Netzwerke von Radiopulsaren betrachten, diese sind über die ganze Milchstraße verteilt. So können wir zahlreiche dieser kosmischen Uhren vergleichen und über den Vergleich des Durchgangs der ausgesandten Radiopulse feststellen, ob Gravitationswellen durch die Milchstraße laufen oder eben auch nicht. (Siehe hierzu auch Georg Wolschin: Pulsare als Gravitationswellen-Detektor. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 05, 2010 S. 16-18)

RN: Also vom methodischen Ansatz mit den Nachweisverfahren von Exponaten insofern vergleichbar, als man eine indirekte Beobachtung heranzieht und durch die Beeinflussung von nachvollziehbaren Konstanten auf ein bestimmtes Phänomen schließt, auch wenn die Durchführung natürlich völlig anders geartet ist.
Schwarz: Ja, im Prinzip ist das ähnlich. Wobei wir hier eigentlich schon die direkteste Methode haben, um Gravitationswellen überhaupt nachzuweisen. Man kann sie nur sehen, indem man bemerkt, dass Raum und Zeit verzerrt werden und zwar in einer periodischen Art und Weise.
RN: Was weiß man heute schon über Gravitationswellen, wie würden die sich für einen Beobachter vor Ort darstellen?
Schwarz: Sie bewegen sich lichtschnell, genau wie elektromagnetische Wellen, wahrscheinlich werden wir ständig von Gravitationswellen durchlaufen, aber deren Wirkung ist so schwach, dass wir sie einfach nicht wahrnehmen können. Also, sie sind komplett ungefährlich (lacht).
Es ist im Grunde nur eine Frage der Empfindlichkeit der Messgeräte ob ich sie wahrnehmen kann oder nicht. Natürlich spielt auch die Wellenlänge eine Rolle, wir erwarten, dass es Gravitationswellen in allen möglichen Wellenlängen gibt, und es gibt verschiedene Instrumente, die verschiedene Wellenlängen absuchen mittels dieses Pulsar Timings.

Mit dem SKA wird man sehr sehr langwellige Gravitationswellen suchen. Wenn man hingegen sehr kurzwellige Gravitationswellen detektieren möchte, gibt es Experimente wie das LIGO-Experiment, die in diesem Teil des Spektrums suchen.

RN: Sie erwähnten es und in der Aufgabenbeschreibung von SKA findet man es: Die Untersuchung von Regionen extremer räumlicher Krümmung.
Schwarz: Ja, Schwarze Löcher. Regionen wie das Zentrum der Milchstraße.
RN: Die Nähe eines Schwarzen Loches ist natürlich absolut lebensfeindlich. Kann man denn sagen, wie groß diese No-Go-Area um ein Solches in etwa ist?
Schwarz: Naja, ich weiß nicht, in wie weit sie wirklich lebensfeindlich sind. Dazu wissen wir wohl auch zu wenig darüber, wo und wie überhaupt Leben existieren kann. Ich weiß nicht, ob man überhaupt von einer No-Go-Area sprechen kann. Schwer zu sagen. Ich schätze, wir müssen diese Regionen einfach sehr viel eingehender untersuchen, um darüber Genaueres sagen zu können.
RN: Ein weiterer Punkt im Portfolio von SKA ist eine erhöhte Sensibilität bei der 21-Zentimeter-Wasserstofflinie. Was hat es damit auf sich?
Schwarz: Ja, das ist eigentlich ein Hauptfokus meines wissenschaftlichen Interesses bei diesem Projekt. Der Wasserstoff, genauer das Wasserstoffatom, hat eine sogenannte Übergangslinie, die einer Wellenlänge von 21 Zentimetern entspricht. Da Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist, etwa 75%, können wir, sobald wir diese 21 Zentimeter-Linie sehr präzise messen können, im Wesentlichen jede Art konventioneller Materie im Universum sehen. Denn in dem wir die Dichte des Wasserstoffs im gesamten Universum abbilden können, bekommen wir den Großteil der Materie im Universum abgebildet.

Der Vorteil der Betrachtung dieser Übergangslinie ist auch, dass sie schon zu einer Zeit existierte, zu der es weder Sterne noch Planeten gab. Wir hoffen also mit diesem Teleskop Bilder davon zu bekommen, wie Materie im Universum verteilt war, knapp bevor die ersten Sterne entstanden. Einerseits wollen wir also sehr weit zurückgehen; Ein weiterer Vorzug von SKA ist unsere Fähigkeit damit recht zügig den gesamten Himmel durchzumustern.Das bedeutet, wenn ich die Verteilung von Materie an zwei verschiedenen Punkten am Himmel betrachte, die möglichst weit voneinander entfernt sind, dann sehe ich nicht nur weit in die Vergangenheit, sondern ich sehe auch Phänomene, die auf sehr ausgedehnten räumlichen Abstandsskalen wirken. Und wenn ich das tue, sehe ich Dinge, die durch physikalische Konstanten, die lange nach der Entstehung des Universums manifest wurden, nicht beeinflusst wurden. Das nährt unsere Hoffnung auf diesen allergrößten Skalen mehr über die Anfänge des Universums zu lernen.

RN: Man vergleicht also räumlich weit entfernte Punkte zu einer sehr frühen Zeit. Nicht zuletzt soll SKA ja auch bei der Suche nach extrem weit entfernten Galaxien helfen. Das Universum hat ein heute geschätztes Alter von 13 Milliarden Jahren. Weiter können diese Galaxien also nicht entfernt sein.
Schwarz: Wenn wir von einem Alter von 13 Milliarden Jahren sprechen, sprechen wir auch von Distanzen von bis zu 13 Milliarden Lichtjahren.
RN: SKA soll außerdem helfen bei der Gewinnung neuer Erkenntnisse über Dunkle Energie. Vielleicht zunächst ein kurzer Exkurs. Dunkle Energie? Ein nicht ganz einfacher Punkt auf dem Feld der Kosmologie?
Schwarz: Ja! Dunkle Energie ist, wie der Name schon sagt, dunkel (lacht). Das Dunkel steht hierbei für zwei Dinge. Einerseits meint dunkel, dass wir es noch nicht verstehen. Andererseits meint dunkel, dass man es anscheinend nicht direkt sehen kann.
Wir sind auf dieses Konzept der Dunklen Energie in der Kosmologie so gestoßen, dass zwei Gruppen von Wissenschaftlern um die Jahrtausendwende Supernovaexplosionen beobachtet haben und ihre Beobachtungen dazu verwendeten, das Hubblediagramm genauer zu vermessen, das ist das Diagramm, das belegt, dass das Universum expandiert. Es ist ein Diagramm, bei dem man im Wesentlichen den Abstand von einem explodierenden Stern gegen seine Geschwindigkeit aufträgt. Also im Grunde eine Art Weg-Geschwindigkeits-Diagramm.Wenn man dieses Diagramm nun genau vermisst kann man feststellen, dass das Universum heute beschleunigt expandiert. Daraus folgt natürlich auch, dass der Abstand zwischen den Galaxien, global gesehen, nicht nur zunimmt, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der der Abstand wächst. Nach den Einsteinschen Feldgleichungen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie kann man das nicht ableiten, wenn man annimmt, dass das Universum nur aus konventioneller Materie besteht. Dann wäre nämlich die eindeutige Vorhersage, dass das Universum zwar expandiert, aber mit einer abnehmenden Geschwindigkeit. Jetzt braucht man etwas, das quasi wie Antigravitation wirkt und diese Annahme aushebelt. Hier kommt dann die Dunkle Energie ins Spiel.

RN: Das ist bis jetzt eher ein Konstrukt, eine Art theoretischer Unterbau, um eine sonst so gut nach-vollzogene und plausible Theorie zu retten, etwas provokativ gesagt.
Schwarz: Es gibt allerdings schon einen theoretischen Kandidaten für diese Dunkle Energie, nämlich die Vakuumenergie. Diese Vakuumenergie hat, als einzige Energieform, die wir kennen, die Eigenschaften, die wir der Dunklen Energie zuschreiben. Allerdings haben wir sie auch noch nie direkt gemessen.

RN: Vielleicht können Sie diese Energieform kurz etwas näher erläutern.
Schwarz: Die klassische Physik nimmt an, dass der Energiegehalt eines Kubikzentimeters Vakuum = 0 ist. Im Rahmen von Teilchenphysik und Quantenfeldtheorie kann aber auch gesagt werden, dass es konsistent ist, wenn ich einen Energieinhalt ungleich 0 annehme, auch wenn ich ihn nicht direkt messen kann. Der einzige Weg diesen Energieinhalt zu messen führt dann über die Gravitation. Vakuumenergie hat zudem den Vorteil zu allen übrigen in der Teilchenphysik und Quantenmechanik in den letzten 100-150 Jahren aufgebauten Prinzipien kompatibel zu sein. Es gibt eine Redewendung unter theoretischen Physikern: Alles, was nicht verboten ist, ist erlaubt. Da wir nun kein Naturgesetz kennen, das uns verbietet eine Vakuumenergie einzuführen, würden wir zunächst auch erwarten, dass es eine solche Vakuumenergie geben sollte. Das Problem ist aber, wenn es sie gibt, muss sie sehr klein sein, verglichen mit unseren gängigen Teilchenphysikskalen.
RN: Deshalb ist sie so schwer nachweisbar?
Schwarz: Deswegen ist sie einerseits schwer nachweisbar und andererseits auch schwer zu verstehen. Denn wenn die Größenordnungen so extrem klein sind, kann man schnell auf den Gedanken kommen eine Gesetzmäßigkeit vergessen oder übersehen zu haben und in Wirklichkeit ist der Vakuumenergiegehalt = 0. Wenn wir aber von dieser Größe annehmen, dass sie ungleich 0, aber sehr klein ist, muss es eine Gesetzmäßigkeit geben, die für diese immens geringe Größe verantwortlich ist, diese kennen wir allerdings auch noch nicht. Das sind die Rätsel, die mit der Dunklen Energie einhergehen. Vom Square Kilometer Array würden wir uns erwarten mehr über die Materieverteilung im Universum im Laufe der Zeit seit dessen Entstehen zu lernen.
Am Anfang gab es im Universum nur kleinere Wasserstoffwolken, manche dichter, manche weniger dicht, unter der Wirkung der Gravitationskraft ballten sie sich zu immer dichteren Wolken zusammen, aus denen schließlich Sterne und Galaxien entstanden. Mit dem SKA hoffen wir nun diesen Prozess sehen und abbilden zu können und aus den Wachstumsraten können wir besser verstehen, wie Schwerkraft präzise wirkt. In diesem Prozess sollte dann auch die Dunkle Energie eine Rolle spielen. Und wenn sie sich nicht so verhält wie die Vakuumenergie, werden wir das in den SKA-Daten sehen können.

RN: Zum Verständnis: Das alles basiert auf der präziseren Wahrnehmung der 21-CM-Wasserstofflinie?
Schwarz: Ja, alles basiert im Grunde darauf, dass wir diese Übergangslinie messen wollen. Damit können wir nämlich nicht nur die räumliche Verteilung von Wasserstoff über den Himmel feststellen, sondern wir können auch die Entfernungen messen. Die vorerwähnte kosmische Expansion bewirkt eine Rot-Verschiebung, dadurch wird jede Welle bei ihrem Durchgang durch das kosmische Medium im Laufe der Zeit langgezogen. Dadurch, dass wir mit SKA ein sehr großes Frequenzband durchrastern können werden, können wir nun auf die Distanzen rückschließen. Denn wir messen diese Übergangslinie nicht bei 21 CM, sondern bei viel größeren Wellenlängen.
RN: Aufgrund dieser Verzerrung?
Schwarz: Genau. Und wenn wir sie zum Beispiel bei zwei Metern messen, liegt eine Verzerrung um den ungefähren Faktor 10 vor. Daraus können wir auf den Zeitpunkt der Aussendung dieser Wasserstofflinie schließen, was uns auch die zurückgelegte Wegstrecke und das Alter des Universums zum Zeitpunkt der Aussendung verrät.
RN: Noch ein Forschungsziel von SKA ist die nähere Betrachtung kosmischer Magnetfelder.
Schwarz: Ja. Das funktioniert mit Hilfe der Faraday-Rotation. Diese beschreibt die Drehung der Polarisationsebene linearpolarisierter elektromagnetischer Wellen. Dieser Verschiebungseffekt wird um so größer, je größer die Wellenlängen werden. Das heißt, wenn ich mir ein Objekt in der Milchstraße anschaue, das auf verschiedenen Radiofrequenzen abstrahlt und ich weiß, die Strahlung auf diesen verschiedenen Frequenzen kommt vom selben Punkt, dann kann ich aus dem Vergleich der Polarisation der verschiedenen Wellenlängen etwas darüber lernen, wie groß die Magnetfeldstärke entlang des Weges der Lichtwelle gewesen sein muss. Darüber lässt sich dann eine Karte des Magnetfelds der Galaxis erstellen.

RN: Gibt es denn bereits Magnetfeldkarten der Galaxis?
Schwarz: Ja, die gibt es schon.
RN: Also geht es hauptsächlich um präzisere Daten?
Schwarz: Für die Milchstraße geht es dabei primär um ein noch genaueres und lückenloseres Bild der Magnetfelder der Milchstraße, für außerhalb der Galaxis sind unsere Kenntnisse hier noch deutlich geringer. Da geht es unter Anderem auch darum Magnetfelder zwischen Galaxien und Galaxienclustern aufzuspüren und noch deutlich schwächere Magnetfelder zu sehen, als wir sie bisher sehen können.
RN: Gibt es denn Magnetfelder im Leerraum?
Schwarz: Ja! Erstaunlicherweise gibt es die, wenn auch schwach. Man hat so zum Beispiel Magnetfelder zwischen Galaxien eines Clusters von rund einem Nanogaus gemessen. Zum Vergleich: Ein Gaus ist die Magnetfeldstärke auf der Erde, ein Nanogaus ist ein Milliardstel davon. Also, diese Größenordnungen sind sehr klein, aber sie sind da und messbar.
RN: Weiß man etwas über die Entstehung von Magnetfeldern im absoluten Leerraum?
Schwarz: Man weiß ein bisschen, aber es ist kein 100%ig verstandenes Problem. Ich bin allerdings kein Experte auf diesem Gebiet.
RN: Auf ihrer Website schreibt die SKA Science Working Group unter Anderem, eine der großen Herausforderungen beim praktischen Betrieb des SKA seien die auflaufenden Datenmengen. Die dort erwähnten Größenordnungen sind buchstäblich astronomisch. An einem Tag fallen mehr Daten an, als das Gesamtvolumen des Datenverkehrs im gesamten Internet an einem Tag ausmacht.
Unter anderem arbeitet IBM zusammen mit der Süd-Afrikanischen National Research Foundation (NRF) an einer Big Data-Lösung und der Entwicklung wüstentauglicher Exascale-Systeme zur Bewältigung der Datenflut.

Schwarz (lacht): Ja, das ist buchstäblich astronomisch. Aber das ist auch eine interessante technologische Herausforderung. Die beteiligten Ingenieure sind allerdings der Meinung, dass das, was wir für die erste Bauphase planen, mit heute verfügbarer Technologie darstellbar ist. Für die zweite Phase wird man zum Teil wohl auch Technologien weiterentwickeln müssen. Insofern ist das SKA-Projekt nicht nur wissenschaftlich, sondern auch technologisch ein spannendes Projekt.

RN: Wie soll denn konkret mit den enormen Datenmengen umgegangen werden?
Schwarz: Wir werden sicher nicht die gesamten Messdaten von Australien und Süd-Afrika nach Europa jagen, sondern schon versuchen so viel wie möglich vor Ort zu verarbeiten.
RN: Also werden dort auch Forschungsstätten aufgebaut und nicht, wie etwa in der Atacama-Wüste in Chile alles weitgehend ferngesteuert erledigt?
Schwarz: Es ist eines der Kernziele bei diesem Projekt, dass es auch mit der Etablierung einer Infrastruktur einhergeht, die den afrikanischen Staaten weiter zugute kommt und SKA nicht etwas ist, das nur westliche Industrienationen dort in die Wüste bauen und dann alles fernsteuern. Das wird sicher nicht der Fall sein.
RN: Das bringt uns zu den geopolitischen Implikationen, die dieses Projekt mit sich bringt. In Australien kann natürlich jedes Projekt verwirklicht werden, so lange man sich mit den lokalen Behörden einigt. Aber in Afrika stellt sich der Betrieb eines so empfindlichen und kostspieligen Projekts sicher nicht ganz unkompliziert dar.

Schwarz: Für die erste Bauphase bleiben wir ziemlich im Süden von Afrika. Dort ist eigentlich alles politisch stabil. Die Standorte hierfür stehen auch bereits fest: Eine Wüstenregion im Osten Süd-Afrikas. Wir wollen ja vor allem auch deshalb ins australische Outback und die afrikanische Wüste, weil wir mit den Antennen möglichst weit weg wollen von der Zivilisation. Wir wollen keine Störungen durch Radiosender, Geschirrspülmaschinen oder Ähnlichem.
RN: So wie optische Teleskope mit Lichtverschmutzung zu kämpfen haben, gibt es bei Radioteleskopen vermutlich eine äquivalente EM-Verschmutzung.
Schwarz: Ja. Jedes Auto, das vorbeifährt, emittiert beispielsweise einige Radiowellen.
RN: Ein Auto?
Schwarz: Ja, das kommt zum Beispiel durch die Verbrennungsmotoren. Jedes Mal, wenn die Zündkerze zündet, wird ein niederfrequenter EM-Impuls erzeugt. Der ist zwar nicht sehr stark, aber für das Teleskop stark genug, dass er stören würde. Deshalb wollen wir wirklich weg von der Zivilisation sein. In sofern kommen wir auch mit niemandem in Konflikt, weil dort sowieso nichts und niemand ist, den wir bei irgend etwas stören würden.
Was natürlich die Herausforderung ist, ist die Infrastruktur dort hin zubringen. Wir brauchen natürlich die Datenleitungen dort hin. Die Wissenschaftler werden nicht mitten in der Wüste sitzen. Die werden zwar schon in Australien und Süd-Afrika sein, aber vielleicht doch an etwas angenehmeren Orten. Und wir müssen auch die Stromversorgung zu den Teleskopen bringen.

RN: Die Standorte sind sicherlich prädestiniert für eine Versorgung durch Solarstrom?
Schwarz: Es gibt diese Erneuerbare Energien-Komponente. Es gibt Arbeitsgruppen, die sich damit beschäftigen so viel wie möglich der benötigten Energie vor Ort mittels Solarzellen herzustellen. Wir wollen dort keine großen Dieselgeneratoren haben, die würden uns auch stören. Das SKA-Projekt hat viele interessante Dimensionen, die uns vor spannende Herausforderungen stellen, die deutlich über den eigentlichen wissenschaftlichen Horizont hinausreichen.

RN: Wie ist der weitere Verlauf?
Schwarz: 2016 finden die Vertragsverhandlungen statt. 2017 erfolgen die Ausschreibungen und 2018 beginnt die erste Bauphase.
RN: Wann erwarten Sie die ersten Daten?
Schwarz: Da SKA ein Interferometer ist und nicht alles fertig aufgebaut sein muss, um Daten zu erhalten, reicht es, wenn einige der Grundbausteine der Infrastruktur und einige erste Antennen fertig sind, das sollte 2020-2021 passieren. Dazu sei noch gesagt, es gibt sowohl in Australien, als auch Süd-Afrika sogenannte Pfadfinderexperimente. In Australien ist das das ASKAP.

Und in Süd-Afrika das MeerKAT. Diese Anlagen werden derzeit gebaut und nehmen demnächst bereits ihren Betrieb auf. Diese Anlagen werden dann später Bestandteil des SKA sein. Das wird sozusagen um diese dann bereits bestehenden Installationen herum gebaut und diese noch erweitern.

RN: Der deutsche Rückzug aus dem SKA-Projekt hat für deutliche Unmutsäußerungen in der wissenschaftlichen Community gesorgt. Sie sind Österreicher, dennoch die Frage: Wie stehen Sie hierzu?
Schwarz: Es ärgert mich natürlich trotzdem, weil ich als Wissenschaftler an einer deutschen Universität letztendlich davon abhängig bin, ob Deutschland bei SKA mitmacht oder nicht. Momentan arbeite ich in der Science Working Group, die ist derzeit vollkommen offen. Die Mitgliedschaft dort ist nicht geknüpft an eine Landesmitgliedschaft in der Organisation, auch weil ja die Verträge für das SKA noch nicht endgültig verhandelt sind. Sobald allerdings feststeht, wer final dabei ist und auch mit bezahlt, werden auch Wissenschaftler aus nicht teilnehmenden Ländern keine führende Rolle mehr in der Organisation übernehmen können.
Aber wir lassen uns da noch nicht entmutigen. Wir steigen nicht aus unseren Aktivitäten aus, da wir denken, dass es so viele gute Gründe gibt und auch noch einige Jahre Zeit sind, noch weitere Wege zu finden die Bedenken der deutschen Politik auszuräumen.Ich glaube tatsächlich, dass wir hier gute Argumente haben und auch in den nächsten Monaten noch weitere stichhaltige Punkte anführen werden. Im Laufe dieses Jahres wird ein Rebaselining stattfinden, das heißt das Design wird nochmals überarbeitet und die ersten Wissenschaftsziele werden festgelegt, und die Kosten werden genauer kalkuliert. Ich denke, wenn alle diese Aspekte final auf dem Tisch liegen, werden wir eine bessere Basis für weitere Gespräche haben.

RN: Letzte Frage: Sie als theoretischer Physiker, was halten Sie persönlich eigentlich von Science-Fiction?
Schwarz: Ich bin eingeschworener Startrek-Fan. Natürlich gibt es auch schlechte Science-Fiction, aber generell finde ich das häufig sehr inspirierend. Eines meiner ersten SF-Bücher war Stanislaw Lems „Die Astronauten“.
RN: Herr Schwarz, Danke für dieses Gespräch!
Prof. Dr. Dominik Schwarz ist theoretischer Physiker an der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld. Er forscht zu Fragen aus der Frühzeit des Universums.

Der Beitrag Interview: Das Square Kilometer Array 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

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA.

„Solche Verschmelzungen sind bei Weitem die energiereichsten Ereignisse im Universum, bei denen mehr Energie frei wird als alle Sterne zusammen genommen ausstrahlen“, sagte Joan Centrella, Leiterin des Gravitational Astrophysics Laboratory im Goddard-Weltraumzentrum der NASA. „Jetzt haben wir realistische Simulationen, an denen wir uns beim Bau zukünftiger Gravitationswellendetektoren orientieren können.“
Wenn zwei große Schwarze Löcher kollidieren, rasen Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen, die das gesamte All erzittern lassen wie einen Wackelpudding. Dies geht schon aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie hervor. Frühere Versuche, den Vorgang zu simulieren, wurden aber von Computerproblemen geplagt, denn die nötigen Gleichungen erwiesen sich als viel zu komplex. Einsteins Theorie basiert ursprünglich auf der Tensorrechnung, einem Teilgebiet der Mathematik, das sich nur mühsam in Computerbefehle umsetzen lässt: Selbst einfachste Tensorgleichungen benötigen schon Tausende von Zeilen Computer-Quellcode. Aber die Goddard-Forscher haben einen Weg gefunden, Einsteins Mathematik so zu transformieren, dass Computer sie „verstehen“ können, und damit war der Weg frei, darauf basierende Simulationen zu schaffen.

Die Ergebnisse der Forscher-Gruppe erschienen in der Ausgabe vom 26. März der „Physical Review Letters“. Hauptautor ist John Baker vom Goddard-Zentrum. Die dreidimensionalen Simulationen wurden auf dem viertschnellsten Supercomputer der Welt (Stand November 2005), dem „Columbia“ des NASA-Ames-Forschungszentrums durchgeführt. Es sind die größten astrophysikalischen Berechnungen, die je auf einem NASA-Supercomputer durchgeführt wurden, und sie liefern die Grundlage, das Universum auf eine vollkommen neue Art zu erforschen.

Wie nach einem Steinwurf in einen Teich breiten sich Gravitationswellen aus – aber natürlich nicht nur in einem zweidimensionalen Kontinuum wie es die Wasseroberfläche darstellt, sondern im Raum und in der Zeit gleichermaßen, also in einem vierdimensionalen Kontinuum, das Einstein „Raumzeit“ nannte. Dabei wechselwirken Gravitationswellen aber kaum mit Materie, die sie unterwegs vielleicht durchdringen: Ein Mensch würde während des Durchgangs einer solchen Welle durch seinen Körper noch nicht mal um die Größe eines Atoms wachsen beziehungsweise schrumpfen. Daher können Gravitationswellen mühelos die Staub- und Gasschleier durchdringen, die unsere Sicht auf Schwarze Löcher und andere Objekte verstellen, und dürften daher eine neues Sicht auf das Universum eröffnen und präzise Experimente zur Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichen.

Bisher konnten Gravitationswellen noch nicht direkt nachgewiesen werden. Mit dem erdbasierten Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory der National Science Foundation der USA und der vorgeschlagenen Laser Interferometer Space Antenna, einem gemeinsamen Projekt von NASA und ESA, hoffen Wissenschaftler die überraschend subtilen Wellen erstmals messen zu können.
Verschmelzungen von Schwarzen Löchern produzieren Gravitationswellen en masse, und das manchmal jahrelang, während die Schwarzen Löcher sich einander annähern und schließlich kollidieren. Schwarze Löcher sind Bereiche derart extremer Gravitation, dass nichts, selbst Licht nicht, ihrer Anziehung entkommen kann. Hierin liegt die Schwierigkeit, ein mathematisches Modell eines Schwarzen Loches zu generieren: Der Raum verzerrt sich, die Dichte der Materie wird unendlich groß und die Zeit kommt zum Stillstand. Solche Variablen sind es, die Computersimulationen zum Absturz bringen können.

Wenn sie kollidieren, produzieren die massiven Objekte Gravitationswellen von unterschiedlichen Wellenlängen und Stärken, in Abhängigkeit von der Größe der beteiligten Massen. Das Goddard-Team hat sich zunächst auf den Fall nicht rotierender Schwarzer Löcher gleicher Masse beschränkt, beginnend mit den letzten zwei bis fünf Orbits umeinander, bevor sie endgültig miteinander verschmelzen.

Bei jedem Simulationslauf orbitierten die Schwarzen Löcher stabil und produzierten identische Wellenformen vor, während und nach der Kollision – unabhängig vom Startpunkt. Diese Kombination von Stabilität und Reproduzierbarkeit unterschied die neuen Simulationen von früheren Versuchen und erhöhte das Vertrauen der Forscher in die Richtigkeit ihrer Transformation von Einsteins Gleichungen. Das Team hat mittlerweile die Simulation von Verschmelzungen Schwarzer Löcher ungleicher Masse in Angriff genommen.

Hier können Sie eine grafische Darstellung der Simulation sehen (MPEG 7,8 MB; Quelle: NASA).

Einige Ausschnitte:

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