Im August 2017 registrierten Detektoren auf zwei Kontinenten Gravitationswellensignale von einem Paar kollidierender Schwarzer Löcher. Diese gestern bekanntgegebene Entdeckung ist die erste Gravitationswellen-Beobachtung von drei verschiedenen Detektoren. Sie markiert eine neue Ära tieferer Einblicke und verbesserter Lokalisierung der kosmischen Ereignisse, die dank global vernetzter Gravitationswellen-Observatorien jetzt zugänglich ist.
Die Kollision wurde am 14. August um 10:30:43 Uhr UTC (Coordinated Universal Time) von den beiden Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) sowie dem Virgo-Detektor nahe Pisa (Italien) registriert. LIGO wird von der National Science Foundation (NSF) finanziert. Der Virgo-Detektor erhält Fördermittel vom Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Der Nachweis von der LIGO Scientific Collaboration (LSC) und der Virgo Collaboration ist das erste bestätigte Gravitationswellensignal, das vom Virgo-Detektor aufgezeichnet wurde. Eine Abhandlung über das Ereignis, eine Kollision mit der Bezeichnung GW170814, wurde für die Veröffentlichung im Journal Physical Review Letters freigegeben.
“Vor etwas mehr als anderthalb Jahren gab die NSF bekannt, dass ihr Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO den allerersten Nachweis von Gravitationswellen erbracht hatte. Die Signale stammten von einer Kollision zweier Schwarzer Löcher in einer Galaxie, die eine Milliarde Lichtjahre entfernt ist”, sagte die NSF-Direktorin France Córdova. “Heute freuen wir uns, die erste Entdeckung bekanntgeben zu können, die in Partnerschaft zwischen dem Virgo-Gravitationswellen-Observatorium und der LIGO Scientific Collaboration gemacht wurde. Dies ist das erste Mal, dass eine Gravitationswelle von diesen Observatorien registriert wurde, die tausende Kilometer voneinander getrennt sind. Es ist ein aufregender Meilenstein für das wachsende internationale Bestreben, die außergewöhnlichen Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln.”
Die registrierten Gravitationswellen – Krümmungen in Raum und Zeit – wurden während der letzten Momente einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit etwa 31 beziehungsweise 25 Sonnenmassen emittiert. Das Ereignis in rund 1,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung resultierte in einem rotierenden Schwarzen Loch mit circa 53 Sonnenmassen. Das bedeutet, dass bei der Verschmelzung rund drei Sonnenmassen in Gravitationswellenenergie umgewandelt wurden.
“Dies ist erst der Anfang der Beobachtungen mit dem von Virgo und LIGO etablierten Netzwerk”, sagte der LSC-Sprecher David Shoemaker vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). “Von dem für Herbst 2018 geplanten nächsten Beobachtungslauf können wir solche Nachweise wöchentlich oder sogar noch häufiger erwarten.”
LIGO ist zu einem Gravitationswellendetektor der zweiten Generation geworden, Advanced LIGO genannt, der aus zwei identischen Interferometern besteht. Advanced LIGO begann im September 2015 mit seinen Beobachtungen und führte zwei Beobachtungsläufe durch. Der zweite Beobachtungslauf O2 begann am 30. November 2016 und endete am 25. August 2017. Der Virgo-Detektor, jetzt ebenfalls ein Detektor der zweiten Generation, schloss sich am 1. August 2017 um 10:00 Uhr UTC dem LIGO-Beobachtungslauf an. Die Echtzeit-Beobachtung vom 14. August 2017 wurde mit Daten von allen drei LIGO- und Virgo-Instrumenten ausgelöst.
“Es ist wundervoll, nur zwei Wochen nach dem offiziellen Beginn der Datensammlung ein erstes Gravitationswellensignal in unserem brandneuen Advanced Virgo Detektor zu sehen”, sagte Jo van den Brand von der Nikhef and Vrije Universiteit Amsterdam, der Sprecher der Virgo Collaboration. “Das ist ein großartiger Lohn nach all der Arbeit am Advanced Virgo Projekt, um das Instrument in den vergangenen sechs Jahren zu verbessern.”
Wenn ein Ereignis von einem Netzwerk aus drei Detektoren registriert wird, schrumpft das Gebiet mit dem wahrscheinlichen Ursprungsort am Himmel deutlich, was die Entfernungsgenauigkeit verbessert. Die Himmelsregion für GW170814 hat eine Größe von nur 60 Quadratgrad – das ist etwa zehnmal kleiner als die Größe, die mit den Daten der beiden LIGO-Interferometern allein verfügbar ist.
“Es ist wichtig, eine kleinere Suchregion identifizieren zu können, weil man davon ausgeht, dass viele Verschmelzungen kompakter Objekte (beispielsweise Verschmelzungen von Neutronensternen) neben den Gravitationswellen auch elektromagnetische Breitbandemissionen erzeugen”, sagte Laura Cadonati vom Georgia Institute of Technology, die stellvertretende Sprecherin der LIGO Scientific Collaboration. “Diese präzisen Lokalisierungsdaten erlauben 25 Partnereinrichtungen die Durchführung von Nachfolgebeobachtungen basierend auf dem Nachweis der LIGO- und Virgo-Detektoren. Allerdings wurde kein entsprechendes Gegenstück gefunden – wie bei Schwarzen Löchern erwartet.”
“Mit diesem ersten gemeinsamen Nachweis der Advanced LIGO und Virgo Detektoren sind wir einen Schritt weiter in den Gravitationswellenkosmos vorgedrungen”, sagte David H. Reitze vom California Institute of Technology (Caltech), der ausführende Direktor des LIGO Laboratory. “Virgo stellt eine leistungsfähige neue Möglichkeit dar, die Quellen von Gravitationswellen zu registrieren und besser zu lokalisieren – eine Möglichkeit, die in der Zukunft zweifellos zu aufregenden und unerwarteten Ergebnisse führen wird.”
(THK)
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