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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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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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

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

8. November 2021 – Die LIGO Scientific Collaboration, die Virgo Collaboration und die KAGRA Collaboration haben heute die neueste Version ihres Gravitationswellenkatalogs veröffentlicht. Der „Gravitational-Wave Transient Catalog 3“ (GWTC-3) enthält 90 Signale, darunter 35 bisher unveröffentlichte. Diese stammen aus O3b, der zweiten Hälfte des dritten gemeinsamen Beobachtungslaufs O3, der am 27. März 2020 endete. Alle Signale stammen von verschmelzenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Der neue Katalog bietet einige Überraschungen, wie beispielsweise eine bemerkenswerte Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch, eine Kollision zweier sehr schwerer Schwarzer Löcher und mehrere Paare Schwarzer Löcher, die Informationen über ihre Spins preisgeben. Parallel dazu veröffentlichten die Forschenden begleitende Studien über die Population Schwarzer Löcher und Neutronensterne im Universum sowie über die Ausdehnungsgeschichte des Universums. Die Detektoren werden derzeit für den vierten gemeinsamen Beobachtungslauf O4 ausgebaut, der voraussichtlich spät im Jahr 2022 beginnt.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Die Virgo-Kollaboration besteht aus derzeit rund 650 Mitgliedern aus 119 Instituten in 14 verschiedenen Ländern, darunter Belgien, Frankreich, Deutschland, Ungarn, Italien, die Niederlande, Polen und Spanien. Das European Gravitational Observatory (EGO) ist die Dacheinrichtung des Virgo-Detektors nahe Pisa in Italien und wird vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien und vom Nikhef in den Niederlanden finanziert. Eine Liste der Gruppen der Virgo-Kollaboration finden Sie unter https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. Weitere Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter www.virgo-gw.eu.

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

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

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

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

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

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• Gravitationswellen

Der Beitrag LIGO, Virgo und KAGRA erhöhen ihren Punktestand auf 90 erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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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Der Beitrag Ein schwarzes Loch und sein rätselhafter Begleiter 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.