Am 1. Dezember 2018 präsentierten Wissenschaftler auf dem Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop in College Park (Maryland) neue Ergebnisse des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) der National Science Foundation und des europäischen Virgo-Gravitationswellendetektors. Dabei ging es um ihre Suche nach verschmelzenden kosmischen Objekten wie Paaren aus Schwarzen Löchern oder Neutronensternpaaren. Die LIGO und Virgo Collaborations haben jetzt Gravitationswellen von insgesamt zehn Verschmelzungen von stellaren Schwarzen Löchern registriert und eine Verschmelzung von Neutronensternen. Neutronensterne sind die dichten Überreste, die massereiche Sterne bei ihren Supernova-Explosionen zurücklassen. Über sechs der Verschmelzungen von Schwarzen Löchern wurde bereits früher berichtet, vier von ihnen sind neue Entdeckungen.
Zwischen dem 12. September 2015 und dem 19. Januar 2016, während des ersten LIGO-Beobachtungslaufs seit der Implementierung von Upgrades im Rahmen des Advanced LIGO Programms, wurden Gravitationswellen von drei Verschmelzungsereignissen registriert, die auf Schwarze Löcher zurückgehen. Der zweite Beobachtungslauf, der vom 30. November 2016 bis zum 25. August 2017 dauerte, ergab ein Verschmelzungsereignis von Neutronensternen und sieben weitere von Paaren aus Schwarzen Löchern. Dazu gehörten die vier neuen Gravitationswellenereignisse, über die jetzt berichtet wird. Die neuen Ereignisse tragen die Bezeichnungen GW170729, GW170809, GW170818 und GW170823, benannt nach dem Datum, an dem sie registriert wurden.
Alle Ereignisse werden in einem Katalog gelistet, der ebenfalls am 1. Dezember veröffentlicht wurde. Einige Ereignisse sind rekordbrechend. Beispielsweise ist das neue Ereignis GW170729, das beim zweiten Beobachtungslauf am 29. Juli 2017 registriert wurde, die massereichste und fernste Gravitationswellenquelle, die bislang beobachtet wurde. Bei dieser Verschmelzung, die vor rund fünf Milliarden Jahren stattfand, wurde ein Energieäquivalent von fast fünf Sonnenmassen in Gravitationswellenenergie umgewandelt.
GW170814 war die erste Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die von dem Netzwerk aus drei Detektoren gemessen wurde und erlaubte die ersten Untersuchungen der Gravitationswellenpolarisation (analog zur Lichtpolarisation).
Das Ereignis GW170817, drei Tage nach GW170814 entdeckt, repräsentiert das erste Mal, dass Gravitationswellen von der Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachtet wurden. Darüber hinaus wurde diese Kollision auch im elektromagnetischen Spektrum beobachtet, was sie zu einem spannenden neuen Kapitel in der Multi-Messenger-Astronomie macht, bei der kosmische Objekte gleichzeitig in verschiedenen Strahlungsformen beobachtet werden.
Eines der neuen Ereignisse – GW170818 –, entdeckt vom globalen Netzwerk der LIGO- und Virgo-Detektoren, wurde am Himmel sehr genau lokalisiert. Die Position der beiden Schwarzen Löcher in einer Entfernung von etwa 2,5 Milliarden Lichtjahren wurde mit einer Präzision von 39 Quadratgrad bestimmt. Das macht dieses Ereignis zu der am zweitbesten bestimmten Gravitationswellenquelle nach der Neutronensternverschmelzung GW170817.
Albert Lazzarini vom Caltech, der stellvertretende Direktor des LIGO Laboratory, sagte: “Die Veröffentlichung vier weiterer Verschmelzungen von Schwarzen Löchern gibt uns neue Erkenntnisse über die Natur der Population dieser Doppelsysteme im Universum und grenzt die Rate dieser Ereignistypen besser ein.”
“In dem einen Jahr, in dem LIGO und VIRGO zusammenarbeiten, hat die Gravitationswellenforschung dramatische Fortschritte gemacht, und die Entdeckungsrate spricht dafür, dass die spektakulärsten Ergebnisse noch kommen werden”, sagte Denise Caldwell, Direktorin der Physik-Abteilung der National Science Foundation. “Die Leistungen von LIGO und seinen internationalen Partnern sind eine Quelle des Stolzes für die National Science Foundation, und wir erwarten sogar noch größere Fortschritte, wenn LIGOs Empfindlichkeit im kommenden Jahr besser und besser wird.”
“Der nächste Beobachtungslauf beginnt im Frühjahr 2019 und sollte viele neue Gravitationswellen-Kandidaten liefern. Die Erkenntnisse, die der Gemeinschaft zur Verfügung stehen, werden entsprechend wachsen”, sagte David Shoemaker, Sprecher der LIGO Scientific Collaboration und Seniorforscher am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT. “Es ist eine unglaublich aufregende Zeit.”
“Es ist erfreulich, die neuen Fähigkeiten zu sehen, die durch die Anbindung von Advanced Virgo an das globale Netzwerk verfügbar wurden”, sagte Jo van den Brand vom Dutch National Institute for Subatomic Physics und der VU University Amsterdam, der Sprecher der Virgo Collaboration. “Unsere stark verbesserte Lokalisierungsgenauigkeit wird Astronomen erlauben, rasch andere Strahlungsformen zu finden, die von den Gravitationswellenquellen emittiert werden.” Die verbesserte Lokalisierungsfähigkeit des LIGO-Virgo-Netzwerks wird durch die Messung der Zeitverzögerungen bei der Ankunft des Signals an verschiedenen Orten und das Antennenmuster der Interferometer möglich.
“Der neue Katalog ist ein weiterer Beweis für die beispielhafte internationale Zusammenarbeit der Gravitationswellengemeinschaft und ein Ausblick auf die kommenden Beobachtungsläufe und Verbesserungen”, ergänzte EGO Direktor Stavros Katsanevas.
Die wissenschaftlichen Abhandlungen, die die neuen Ergebnisse beschreiben, präsentieren detaillierte Informationen in der Form eines Katalogs mit all den Gravitationswellennachweisen und Kandidatenereignissen der beiden Beobachtungsläufe und enthalten auch Daten zu den Eigenschaften der Population verschmelzender Schwarzer Löcher. Am bemerkenswertesten ist, dass fast alle Schwarzen Löcher aus Sternen mit weniger als 45 Sonnenmassen hervorgingen. Dank der verbesserten Datenverarbeitung und besserer Kalibrierung der Instrumente ist die Genauigkeit der astrophysikalischen Parameter der zuvor bekanntgegebenen Ereignisse beträchtlich gestiegen.
Laura Cadonati, stellvertretende Sprecherin der LIGO Scientific Collaboration, sagte: “Diese neuen Entdeckungen wurden nur durch die unermüdlich und sorgfältig koordinierte Arbeit der Mitarbeiter aller Detektoren an allen drei Observatorien und der Wissenschaftler auf der ganzen Welt ermöglicht, die für die Datenqualität- und säuberung, die Suche nach verborgenen Signalen, und die Abschätzung der Parameter jedes Kandidaten verantwortlich sind. All das sind wissenschaftliche Fachgebiete, die viel Erfahrung und Expertise erfordern.”
Abhandlungen:
- GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs
- Binary Black Hole Population Properties Inferred from the First and Second Observing Runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo
(THK)
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