Am 11. Februar 2016 kündigten Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) die erste Detektion von Gravitationswellen an. Diese Entwicklung, die eine Vorhersage von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vor einem Jahrhundert bestätigte, hat Kosmologen und Astrophysikern neue Forschungswege eröffnet. Seitdem wurden mehr Entdeckungen gemacht, die alle das Ergebnis der Verschmelzung von Schwarzen Löchern sein sollen.
Die letzte Detektion fand am 14. August 2017 statt, als drei Observatorien - der Advanced LIGO- und der Advanced Virgo-Detektor - gleichzeitig die Gravitationswellen detektierten, die durch das Zusammenführen von Schwarzen Löchern erzeugt wurden. Dies war das erste Mal, dass Gravitationswellen von drei verschiedenen Einrichtungen aus der ganzen Welt erfasst wurden, was eine neue Ära der global vernetzten Erforschung dieses kosmischen Phänomens einleitete.
Die Studie, in der diese Beobachtungen detailliert beschrieben wurden, wurde kürzlich online von der LIGO Scientific Collaboration und der Virgo Collaboration veröffentlicht. Diese Studie mit dem Titel „GW170814: Eine Drei-Detektor-Beobachtung von Gravitationswellen aus einer binären Schwarzloch-Koaleszenz“ wurde ebenfalls zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift angenommen Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Das als GW170814 bezeichnete Ereignis wurde am 14. August 2017 um 10:30:43 UTC (06:30:43 EDT; 03:30:43 PDT) beobachtet. Das Ereignis wurde von den beiden LIGO der National Science Foundation entdeckt Detektoren (in Livingston, Louisiana, und Hanford, Washington) und der Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa, Italien, der vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und dem Nationalen Institut für Kernphysik (INFN) unterhalten wird.
Obwohl dies nicht das erste Mal war, dass Gravitationswellen erfasst wurden, war dies das erste Mal, dass ein Ereignis von drei Observatorien gleichzeitig erfasst wurde. Wie France Córdova, der Direktor der NSF, kürzlich in einer Pressemitteilung von LIGO sagte:
„Vor etwas mehr als anderthalb Jahren gab NSF bekannt, dass sein Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium erstmals Gravitationswellen detektiert hat, die aus der Kollision zweier Schwarzer Löcher in einer Galaxie in einer Entfernung von einer Milliarde Lichtjahren resultierten. Heute freuen wir uns, die erste Entdeckung bekannt zu geben, die in Partnerschaft zwischen dem Virgo-Gravitationswellenobservatorium und der LIGO Scientific Collaboration gemacht wurde. Zum ersten Mal wurde von diesen Observatorien, die sich Tausende von Meilen voneinander entfernt befinden, eine Gravitationswellendetektion beobachtet. Dies ist ein aufregender Meilenstein in den wachsenden internationalen wissenschaftlichen Bemühungen, die außergewöhnlichen Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln. “
Basierend auf den erfassten Wellen konnten die LIGO Scientific Collaboration (LSC) und Virgo Collaboration die Art des Ereignisses sowie die Masse der beteiligten Objekte bestimmen. Ihrer Studie zufolge wurde das Ereignis durch die Fusion von zwei Schwarzen Löchern ausgelöst - 31 bzw. 25 Sonnenmassen. Das Ereignis fand ungefähr 1,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt statt und führte zur Bildung eines sich drehenden Schwarzen Lochs mit ungefähr 53 Sonnenmassen.
Dies bedeutet, dass während der Fusion etwa drei Sonnenmassen in Gravitationswellenenergie umgewandelt wurden, die dann von LIGO und Virgo entdeckt wurde. Obwohl diese neueste Entdeckung für sich genommen beeindruckend ist, ist sie nur ein Vorgeschmack darauf, was Gravitationswellendetektoren wie die Kollaborationen von LIGO und Virgo tun können, nachdem sie ihre fortgeschrittenen Stadien erreicht haben und miteinander kooperieren.
Sowohl Advanced LIGO als auch Advanced Virgo sind Gravitationswellendetektoren der zweiten Generation, die die bisherigen abgelöst haben. Die von Caltech und MIT konzipierten, gebauten und betriebenen LIGO-Einrichtungen sammelten zwischen 2002 und 2010 erfolglos Daten. Ab September 2015 ging Advanced LIGO jedoch online und führte zwei Beobachtungsläufe durch - O1 und O2.
In der Zwischenzeit führte der ursprüngliche Virgo-Detektor zwischen 2003 und Oktober 2011 erneut erfolglose Beobachtungen durch. Im Februar 2017 begann die Integration des Advanced Virgo-Detektors, und die Instrumente gingen im folgenden April online. 2007 haben sich Virgo und LIGO auch zusammengetan, um die von ihren jeweiligen Detektoren aufgezeichneten Daten gemeinsam zu nutzen und zu analysieren.
Im August 2017 trat der Virgo-Detektor dem O2-Lauf bei, und am 14. August fand die erste gleichzeitige Erkennung statt, bei der alle drei LIGO- und Virgo-Instrumente Daten sammelten. Wie der LSC-Sprecher David Shoemaker - ein Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) - angedeutet hat, ist diese Erkennung nur das erste von vielen erwarteten Ereignissen.
"Dies ist nur der Anfang von Beobachtungen mit dem Netzwerk, das durch die Zusammenarbeit von Virgo und LIGO ermöglicht wird", sagte er. "Mit dem nächsten Beobachtungslauf, der für Herbst 2018 geplant ist, können wir solche Erkennungen wöchentlich oder sogar noch häufiger erwarten."
Dies bedeutet nicht nur, dass Wissenschaftler zukünftige Ereignisse besser erkennen können, sondern sie können sie auch mit weitaus größerer Genauigkeit lokalisieren. Tatsächlich wird erwartet, dass der Übergang von einem Netzwerk mit zwei zu drei Detektoren die Wahrscheinlichkeit erhöht, die Quelle von GW170814 um eine Fabrik von 20 zu lokalisieren. Die Himmelsregion für GW170814 ist nur 60 Quadratgrad - mehr als zehnmal kleiner als nur mit Daten von LIGOs Interferometern.
Darüber hinaus hat auch die Genauigkeit, mit der der Abstand zur Quelle gemessen wird, von dieser Partnerschaft profitiert. Laura Cadonati, Professorin für Georgia Tech und stellvertretende Sprecherin des LSC, erklärte:
„Diese erhöhte Präzision wird es der gesamten astrophysikalischen Gemeinschaft ermöglichen, letztendlich noch aufregendere Entdeckungen zu machen, einschließlich Multi-Messenger-Beobachtungen. Ein kleinerer Suchbereich ermöglicht Nachbeobachtungen mit Teleskopen und Satelliten für kosmische Ereignisse, die Gravitationswellen und Lichtemissionen wie die Kollision von Neutronensternen erzeugen. “
Wenn mehr Detektoren in das Gravitationswellennetzwerk eingebracht werden, können letztendlich auch detailliertere Tests der Einsteinschen Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden. David H. Reitze von Caltech, der Geschäftsführer des LIGO-Labors, lobte auch die neue Partnerschaft und ihre Möglichkeiten.
"Mit dieser ersten gemeinsamen Erkennung durch die Advanced LIGO- und Virgo-Detektoren sind wir einen Schritt weiter in den Kosmos der Gravitationswellen gegangen", sagte er. "Virgo bietet eine leistungsstarke neue Funktion zum Erkennen und besseren Lokalisieren von Gravitationswellenquellen, die zweifellos in Zukunft zu aufregenden und unerwarteten Ergebnissen führen wird."
Die Untersuchung von Gravitationswellen ist ein Beweis für die wachsende Leistungsfähigkeit der Wissenschaftsteams der Welt und der Wissenschaft der Interferometrie. Jahrzehntelang war die Existenz von Gravitationswellen nur eine Theorie; und um die Jahrhundertwende hatten alle Versuche, sie zu entdecken, nichts ergeben. Aber in den letzten achtzehn Monaten wurden mehrere Erkennungen vorgenommen, und in den kommenden Jahren werden Dutzende weitere erwartet.
Dank des neuen globalen Netzwerks und der verbesserten Instrumente und Methoden werden diese Ereignisse uns Bände über unser Universum und die Physik, die es regelt, erzählen.
