Am 11. Februar 2016 haben Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) Geschichte geschrieben, als sie die erste Detektion von Gravitationswellen (GWs) ankündigten. Seitdem wurden mehrere Erkennungen durchgeführt, und wissenschaftliche Kooperationen zwischen Observatorien - wie Advanced LIGO und Advanced Virgo - ermöglichen ein beispielloses Maß an Sensibilität und Datenaustausch.
Zuvor waren sieben solcher Ereignisse bestätigt worden, von denen sechs durch die Verschmelzung von binären Schwarzen Löchern (BBH) und eines durch die Verschmelzung eines binären Neutronensterns verursacht wurden. Am Samstag, dem 1. Dezember, präsentierte ein Team von Wissenschaftlern der LIGO Scientific Collaboration (LSC) und der Virgo Collaboration neue Ergebnisse, die auf die Entdeckung von vier weiteren Gravitationswellenereignissen hinwiesen. Damit ist die Gesamtzahl der in den letzten drei Jahren festgestellten GW-Ereignisse auf elf gestiegen.
Die Präsentation mit dem Titel „Eigenschaften der binären Schwarzlochpopulation, die aus den ersten und zweiten Beobachtungsläufen von Advanced LIGO und Advanced Virgo abgeleitet wurden“ wurde während des Gravitationswellenphysik- und Astronomie-Workshops (GWPAW) 2018 vom 1. Dezember bis Dezember durchgeführt 4. an der University of Maryland.
Diese jährliche Veranstaltung wird vom Joint Space-Science Institute (JSI), einer Partnerschaft zwischen der University of Maryland und dem Goddard Space Flight Center der NASA, veranstaltet und bringt Wissenschaftler und Forscher aus der ganzen Welt zusammen, um aktuelle und zukünftige Fragen im Zusammenhang mit der Erkennung und Diskussion zu erörtern Untersuchung von Gravitationswellen.
Im Verlauf der Präsentation präsentierte Michael Pürrer, leitender Wissenschaftler in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI Potsdam, am Samstag im Auftrag der LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration die Ergebnisse des ersten Katalogs auf der GWPAW. Dazu gehörten die sieben zuvor erkannten Ereignisse und die vier kürzlich erkannten Ereignisse. Wie er während der Präsentation feststellte:
„In diesem Katalog präsentieren wir eine gründliche Analyse aller 11 in O1 und O2 gefundenen Gravitationswellendetektionen. Wir stützen uns auf modernste Modelle der Gravitationswellenform, die von diesen katastrophalen Ereignissen ausgehen, um auf die Massen, Spins und Gezeitenverformbarkeiten der Binärdateien schließen zu können. Ich bin sehr stolz darauf, Teil dieser herausragenden Bemühungen der LIGO Scientific Collaboration und Virgo Collaboration gewesen zu sein. “
Die neuen Ereignisse, die alle das Ergebnis von BBH-Fusionen waren, werden basierend auf den Daten, an denen sie entdeckt wurden, als GW170729, GW170809, GW170818 und GW170823 bezeichnet. Alle vier wurden während des zweiten Beobachtungslaufs (O2) der LIGO- und VIRGO-Kollaborationen entdeckt, der vom 30. November 2016 bis zum 25. August 2017 dauerte.
Alessandra Buonanno, Direktorin der Abteilung für astrophysikalische und kosmologische Relativitätstheorie an der AEI-Potsdam und Professorin am College Park an der University of Maryland, war maßgeblich an diesen jüngsten Funden beteiligt. Wie sie kürzlich in einer Pressemitteilung von AEI angedeutet hat:
„Dank modernster Wellenformmodelle, fortschrittlicher Datenverarbeitung und besserer Kalibrierung der Instrumente konnten wir die astrophysikalischen Parameter zuvor angekündigter Ereignisse genauer ableiten. Ich freue mich auf den nächsten Beobachtungslauf im Frühjahr 2019, bei dem wir voraussichtlich mehr als zwei Black-Hole-Fusionen pro Monat mit gesammelten Daten feststellen werden! “
Nach den Ergebnissen des Teams umfassen die beobachteten BBHs einen weiten Bereich von Komponentenmassen, von 7,6 bis 50,6 Sonnenmassen. Das Team stellte außerdem fest, dass in zwei der BBHs (GW151226 und GW170729) sehr wahrscheinlich mindestens eines der Schwarzen Löcher dreht. Vor allem aber stellten die neuen Entdeckungen zwei neue Rekorde bei der Untersuchung von GWs auf.
Zum Beispiel wurde das als GW170818 bekannte Ereignis von den LIGO- und Virgo-Observatorien punktgenau am Himmel in der nördlichen Himmelshalbkugel lokalisiert. Tatsächlich wurde es mit einer Genauigkeit von 39 Quadratgrad (195-fache scheinbare Größe des Vollmonds) identifiziert, was es zum besten lokalisierten BBH bis heute macht.
Darüber hinaus war das als GW170729 bekannte Ereignis die bislang massivste und am weitesten entfernte Gravitationswellenquelle. Die Fusion umfasste nicht nur ein Schwarzes Lochpaar mit einer Gesamtmasse, die mehr als das 50-fache der Sonnenmasse betrug, sondern fand vor 5 Milliarden Jahren statt und setzte das Äquivalent von fast fünf Sonnenmassen in Form von Gravitationsstrahlung frei.
Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, während des dritten Beobachtungslaufs (O3) von Advanced LIGO und Virgo, der Anfang 2019 beginnen soll, weitere Entdeckungen machen zu können. Dieser Lauf wird von weiteren Sensitivitätsverbesserungen für LIGO und Virgo sowie den Aufnahme des Kamioka-Observatoriums für Gravitationswellendetektoren (KAGRA) in Japan (möglicherweise gegen Ende von O3).
Karsten Danzmann, Direktor der Abteilung Laserinterferometrie und Gravitationswellenastronomie bei AEI-Hannover, erklärte:
"Ich bin froh, dass viele der fortschrittlichen Detektortechnologien, die an unserem GEO600-Detektor entwickelt wurden, dazu beigetragen haben, dass der O2 so empfindlich läuft, und dass in O3 eine andere Technologie, die bei GEO600 Pionierarbeit geleistet hat, Quetschlicht, in LIGO und Virgo eingesetzt wird."
Mit diesen Upgrades und der Hinzufügung von KAGRA werden in den kommenden Jahren viele zehn GW-Ereignisse erwartet, die sich aus der Fusion von Binärsystemen ergeben. Diese neuesten Ergebnisse bieten auch eine weitere Validierung der Instrumente der LIGO- und Virgo-Observatorien sowie die Wirksamkeit der dahinter stehenden internationalen Zusammenarbeit.
Mit der Erkennung von vier zusätzlichen GW-Ereignissen ist die Anzahl der Fallstudien, aus denen Wissenschaftler Erkenntnisse ziehen können, um fast 50% gestiegen. Auf diese Weise können sie mehr über die Population binärer Systeme erfahren, die GW-Ereignisse verursachen, ganz zu schweigen von der Geschwindigkeit, mit der diese Arten von Fusionen stattfinden.
Die Ergebnisse der Teamrecherchen wurden auch in zwei Artikeln vorgestellt, die kürzlich online erschienen sind. Das erste Papier „GWTC-1: Ein Gravitationswellen-Transientenkatalog kompakter binärer Fusionen, die von LIGO und Virgo während des ersten und zweiten Beobachtungslaufs beobachtet wurden, enthält einen detaillierten Katalog aller Gravitationswellendetektionen.
Das zweite Papier, „Eigenschaften der binären Schwarzlochpopulation, abgeleitet aus den ersten und zweiten Beobachtungsläufen von Advanced LIGO und Advanced Virgo“, beschreibt die Merkmale der verschmelzenden Schwarzlochpopulation. LIGO wird von der National Science Foundation (NSF) finanziert und von Caltech und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) betrieben.
