Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Alle bisher gesehenen Gravitationswellenereignisse in einem Bild
Die Relativitätstheorie sagte die Existenz von Schwarzen Löchern und Neutronensternen voraus. Einstein wird der Theorie wegen seiner 1915 veröffentlichten Arbeit zugeschrieben, obwohl die Arbeit anderer Wissenschaftler dazu beigetragen hat. Aber unabhängig von den Köpfen dahinter sagte die Theorie Schwarze Löcher, Neutronensterne und die Gravitationswellen ihrer Verschmelzung voraus.
Es dauerte etwa hundert Jahre, aber 2015 konnten Wissenschaftler diese Verschmelzungen und ihre Gravitationswellen endlich beobachten LIGO/Jungfrau Zusammenarbeit hat viele von ihnen entdeckt. Die Zusammenarbeit hat einen neuen Katalog mit Entdeckungen zusammen mit einer neuen Infografik veröffentlicht. Die neue Infografik zeigt die Schwarzen Löcher, Neutronensterne, Verschmelzungen und die anderen unsicheren kompakten Objekte hinter einigen von ihnen.
LIGO steht für Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. LIGO besteht eigentlich aus zwei Einrichtungen in den USA, die beide von Caltech und MIT gebaut und betrieben werden. Der Kooperationspartner von LIGO ist Virgo, ein Interferometer mit Sitz in Italien. Als sie zwischen 2002 und 2010 beobachteten, stellten sie keine Gravitationswellen und keine Verschmelzungen fest. Schließlich wurden die Einrichtungen modernisiert und 2015 wurde ihre erste Fusion festgestellt.
Diese Veranstaltung hieß GW150914 und entstand aus einer Verschmelzung zwischen einem 36-stellaren Schwarzen Loch und einem 29-stellaren Schwarzen Loch. Das war eine große Sache. Drei Wissenschaftler hinter der ersten Beobachtung wurden mit einem Nobelpreis ausgezeichnet, und die Beobachtung versprach, ein ganz neues Fenster in die Astronomie und Kosmologie zu öffnen. Jetzt erkennt die LIGO/Virgo-Kollaboration etwa alle fünf Tage eine Verschmelzung und Gravitationswellen.
Die Infografik begleitet den neuen Katalog der Gravitationswellen und Verschmelzungen von LIGO/Virgo. Der Katalog heißt GWTC-2 oder Gravitational-Wave Transient Catalog-2. Während der vorherige Katalog nur 11 Signale enthielt, enthält dieser neue 50.
„Wir erhalten ein umfassenderes Bild der Population von Gravitationswellenquellen.“
Frank Ohme, Leiter, Unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover
Die Signale stammen aus allen Kombinationen von Verschmelzungen zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen.
Die bisher von LIGO und Virgo entdeckten Verschmelzungen kompakter Objekte (in O1, O2 und O3a). Das Diagramm zeigt Schwarze Löcher (blau), Neutronensterne (orange) und kompakte Objekte unbekannter Natur (grau), die durch ihre Gravitationswellen-Emission nachgewiesen wurden. Jede Verschmelzung eines Binärsystems entspricht drei dargestellten kompakten Objekten: den beiden verschmelzenden Objekten und dem Ergebnis der Verschmelzung. Zum Vergleich ist eine Auswahl von Schwarzen Löchern (violett) und Neutronensternen (gelb) gezeigt, die durch elektromagnetische Beobachtungen entdeckt wurden. Bildquelle: LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern
Der neue Katalog enthält einige Überraschungen. Ein Paar der Entdeckungen stammte aus der Verschmelzung von Objekten mit geringer Masse.
„Eine unserer neuen Entdeckungen, GW190426_152155, könnte eine Verschmelzung eines Schwarzen Lochs von etwa sechs Sonnenmassen mit einem Neutronenstern sein. Leider ist das Signal eher schwach, sodass wir uns nicht ganz sicher sein können“, erklärt Serguei Ossokine, leitender Wissenschaftler am AEI Potsdam. „GW190924_021846 stammt sicherlich aus der Verschmelzung der beiden leichtesten Schwarzen Löcher, die wir bisher gesehen haben. Einer hatte die Masse von 6 Sonnen, der andere die von 9 Sonnen. Es gibt Signale von Verschmelzungen mit weniger massiven Objekten wie GW190814, aber wir wissen nicht genau, ob es sich um Schwarze Löcher handelt.“
Die neuen Erkennungen im Katalog resultieren aus Verbesserungen in der LIGO/Virgo-Kollaboration. Die Rohdatenverarbeitung wurde verbessert, ebenso wie der Umgang mit Glitches oder Störungen. In einer Pressemitteilung heißt es, dass diese Verbesserungen es LIGO/Virgo ermöglichen werden, „tiefer in den Kosmos zu lauschen als je zuvor“.
„Ein Schlüssel zum Auffinden eines neuen Gravitationswellensignals etwa alle fünf Tage über einen Zeitraum von sechs Monaten waren die Upgrades und Verbesserungen der beiden LIGO-Detektoren und des Virgo-Detektors“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein-Institut; AEI) und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Wichtige Rollen spielen zum Beispiel die am AEI Hannover entwickelten Hochleistungslaser, neue Spiegel und die Reduzierung von Störgeräuschquellen. Dadurch wurde das Volumen, in dem unsere Detektoren das Signal von beispielsweise verschmelzenden Neutronensternen aufnehmen konnten, um den Faktor vier erhöht!“
Das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium besteht aus zwei Detektoren, diesem in Livingston, LA, und einem in der Nähe von Hanford, Washington. Die Detektoren verwenden riesige Arme in Form eines „L“, um winzige Wellen im Gewebe von . zu messen das Universum. Bildnachweis: Caltech/MIT/LIGO Lab
Oberflächlich betrachtet kann jedes dieser Ereignisse ähnlich erscheinen. Sie sind alle das Ergebnis von Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und/oder Neutronensternen. Doch laut Frank Ohme, Leiter einer unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI Hannover, werden die Beobachtungen immer detaillierter.
„Wenn man sich den Katalog ansieht, haben alle Ereignisse eines gemeinsam: Sie entstehen durch Verschmelzungen kompakter Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne. Aber wenn man genauer hinschaut, sind sie alle ganz unterschiedlich“, sagt Ohme. „Wir erhalten ein umfassenderes Bild der Population von Gravitationswellenquellen. Die Massen dieser Objekte umfassen einen sehr weiten Massenbereich von etwa der unserer Sonne bis zu mehr als dem 90-fachen der Masse, einige von ihnen sind näher an der Erde, andere sehr weit entfernt.“
Forscher mit LIGO/Virgo haben außerdem vier Papiere zu ihren Ergebnissen veröffentlicht. Alle drei sind auf arxiv.org , ein Pre-Print-Server, und noch keiner wurde einem Peer-Review unterzogen.
Eines der Highlights im Katalog ist GW190521, die massereichste Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit einer Gesamtmasse von 150 Sonnen und die erste Beobachtung der Geburt eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse. Ein weiteres ist GW190425, das höchstwahrscheinlich die zweite Beobachtung einer Verschmelzung von binären Neutronensternen ist.
Visualisierung der Koaleszenz zweier Schwarzer Löcher, die sich inspirieren und verschmelzen und dabei Gravitationswellen aussenden. Ein Schwarzes Loch ist 9,2 mal massereicher als das andere und beide Objekte drehen sich nicht. Bildquelle: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration
Im Laufe der Zeit hat die Technologie Methoden entwickelt, um die Vorhersagegenauigkeit von Einsteins Theorien zu testen. Einer der neuen Artikel befasst sich mit der Übereinstimmung der LIGO/Virgo-Detektionen mit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es trägt den Titel „ Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie mit den kompakten Binärsignalen aus dem LIGO-Virgo-Katalog GWTC-2 .“ Einsteins Theorie hielt sich – wieder einmal – gut und laut einer Pressemitteilung fand die Studie „keine Beweise für eine neue Physik jenseits dieser Theorie“.
Ein anderes Papier verwendet Verschmelzungen und Gravitationswellen, um eine neue Messung für die Hubble-Konstante zu finden. Sein Titel lautet „ Eine Gravitationswellenmessung der Hubble-Konstanten nach dem zweiten Beobachtungslauf von Advanced LIGO und Virgo .“ Anstatt Standardkerzen zu verwenden, verwendet das Papier 'Standardsirenen'. Standardsirene bezieht sich darauf, wie die Entfernung zu einem Fusionsereignis in den Gravitationswellen kodiert ist, die aus dem Ereignis resultieren.
Dieser neue Katalog umfasst die erste Hälfte des Beobachtungslaufs drei (O3), der vom 1. November 2019 bis 27. März 2020 lief. LIGO/Virgo-Forscher haben für weitere 23 Ereignisse in O3b, der zweiten Hälfte des Beobachtungslaufs drei, Warnungen ausgegeben. Aber sie sind nur mögliche Gravitationswellen und wurden noch nicht bestätigt. Nach einer genaueren Analyse können einige von ihnen veröffentlicht werden.
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