Forscher des Twin Cities College of Science and Engineering an der University of Minnesota haben an einer neuen Studie eines internationalen Teams mitgewirkt, die die Erkennung von Gravitationswellen verbessern wird. Gravitationswellen sind Störungen der Raumzeit.
Die Forschungsarbeit zielt darauf ab, Astronomen und Astrophysiker innerhalb von 30 Sekunden nach der Entdeckung eines Signals zu benachrichtigen und so zu einem besseren Verständnis von Neutronensternen und Schwarzen Löchern sowie der Entstehung schwerer Elemente wie Gold und Uran beizutragen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) veröffentlicht, einem von Experten geprüften, frei zugänglichen wissenschaftlichen Fachjournal.
Gravitationswellen interagieren mit der Raumzeit, indem sie diese in einer Richtung komprimieren, während sie sie in der dazu senkrechten Richtung dehnen. Aus diesem Grund sind die derzeit modernsten Gravitationswellendetektoren L-förmig und messen die relativen Längen des Laserstrahls mit Hilfe der Interferometrie, einer Messmethode, bei der die Interferenzmuster untersucht werden, die durch die Kombination zweier Lichtquellen entstehen. Um Gravitationswellen aufzuspüren, muss die Länge des Lasers genau gemessen werden: Das entspricht der Messung der Distanz zum nächstgelegenen, rund vier Lichtjahre entfernten Stern bis auf die Dicke eines menschlichen Haares.
Diese Forschung ist Teil der LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration, einem Netz von Gravitationswellen-Interferometern auf der ganzen Welt. In der neuesten Simulationskampagne wurden Daten aus früheren Beobachtungszeiträumen verwendet und simulierte Gravitationswellensignale hinzugefügt, um die Leistungsfähigkeit der Software und der Geräte-Upgrades zu zeigen. Die Software ist in der Lage, die Form von Signalen zu erkennen, das Signalverhalten zu verfolgen und abzuschätzen, welche Massen an dem Ereignis beteiligt sind, beispielsweise Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Neutronensterne sind die kleinsten und dichtesten Sterne; sie entstehen, wenn massereiche Sterne in Supernovae explodieren.
Sobald diese Software ein Gravitationswellensignal entdeckt, sendet sie Benachrichtigungen an Abonnenten, zu denen in der Regel Astronomen oder Astrophysiker gehören, um mitzuteilen, wo sich das Signal am Himmel befand. Dank der Verbesserungen in diesem Beobachtungszeitraum können die Wissenschaftler nun schneller, das heißt weniger als 30 Sekunden nach der Entdeckung einer Gravitationswelle, Meldungen versenden.
“Mit dieser Software können wir die Gravitationswellen von Neutronensternkollisionen aufspüren, die normalerweise zu schwach sind, um sie zu sehen – es sei denn, wir wissen genau, wo wir suchen müssen”, sagte der Doktorand Andrew Toivonen von der Twin Cities School of Physics and Astronomy der University of Minnesota . “Die Entdeckung der Gravitationswellen wird uns bei der Lokalisierung der Kollision helfen und die Astronomen und Astrophysikern dabei unterstützen, weitere Forschungen durchzuführen.”
Astronomen und Astrophysiker könnten diese Informationen nutzen, um zu verstehen, wie sich Neutronensterne verhalten, oder um Kernreaktionen zwischen kollidierenden Neutronensternen und Schwarzen Löchern zu untersuchen und um herauszufinden, wie schwere Elemente entstehen, zum Beispiel Gold und Uran.
Dies ist der vierte Beobachtungslauf des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), der bis Februar 2025 andauern wird. Zwischen den letzten drei Beobachtungsperioden haben die Wissenschaftler die Erkennung von Signalen verbessert. Nach dem Ende dieser Beobachtungsperiode werden die Forscher die Daten weiter auswerten und weitere Verbesserungen vornehmen, um noch schneller Meldungen auszusenden.
Neben Toivonen war auch der Assistenzprofessor Michael Coughlin von der School of Physics and Astronomy der University of Minnesota an der Arbeit beteiligt. LIGO wird von der National Science Foundation finanziert und vom Caltech und dem MIT betrieben. Im Rahmen der LIGO Scientific Collaboration arbeiten mehr als 1.200 Wissenschaftler und etwa 100 Institutionen aus der ganzen Welt an dem Projekt.
Studie: “Low-latency gravitational wave alert products and their performance at the time of the fourth LIGO-Virgo-KAGRA observing run“, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
(THK)
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