Bereits Kunde? Jetzt einloggen.
Lesezeit ca. 9 Min.

GRAVITATIONSWELLEN: Neue Gravitations welle bricht alle Rekorde


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 2/2019 vom 18.01.2019

Jetzt sind es elf: Zu den sieben in den letzten Jahren registrierten Gravitationswellenereignissen gesellten sich vier neue Quellen. Bereits 2017mit Laserinterferometern gemessen, konnte nun ihre Entdeckung bekanntgegeben werden. In allen Fällen hatte die Kollision von jeweils zwei Schwarzen Löchern die Raumzeit zum Schwingen gebracht. Es gibt sogar einen neuen Rekordhalter für die größte Masse, größte Entfernung, schnellste Lochrotation und höchste Gravitationswellenenergie.


Artikelbild für den Artikel "GRAVITATIONSWELLEN: Neue Gravitations welle bricht alle Rekorde" aus der Ausgabe 2/2019 von Sterne und Weltraum. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 2/2019

Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ...

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 5,99€
NEWS 14 Tage gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Sterne und Weltraum. Alle Rechte vorbehalten.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 2/2019 von 2019: Das Jahr der Gravitationswellen?. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
2019: Das Jahr der Gravitationswellen?
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von LESERBRIEFE. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
LESERBRIEFE
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von LESER FRAGEN – EXPERTEN ANTWORTEN. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
LESER FRAGEN – EXPERTEN ANTWORTEN
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von IM B ILD: InSights erstes »Selfie«. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
IM B ILD: InSights erstes »Selfie«
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von NACHRICHTEN. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
NACHRICHTEN
Titelbild der Ausgabe 2/2019 von Wasserdampf auf Exoplanet HR 8799c entdeckt. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Wasserdampf auf Exoplanet HR 8799c entdeckt
Vorheriger Artikel
TELESKOPTECHNIK: Ausgefunkelt!
aus dieser Ausgabe
Nächster Artikel ABENDHIMMEL
aus dieser Ausgabe

... (https://supernova.eso.org/germany/exhibition/images/1217_B_colliding-neutron-stars-orig-CCfinal/) / CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode)

So wie in dieser künstlerischen Darstellung stellen sich die Forscher den verhängnisvollen Unfall zweier Neutronensterne vor. Solche Sternleichen entstehen in Supernovae, den Explosionen massereicher Sterne. Manchmal umkreisen sie sich in engen Paaren, die dem Untergang geweiht sind. Nur einmal ist es bisher gelungen, die Gravitationswelle der Kollision von zwei solchen Exoten zu verfolgen, obwohl sie viel häufiger zusammenstoßen als zwei Schwarze Löcher.

Der September 2015 markiert einen Durchbruch in der Gravitationsphysik und Astronomie. Zum ersten Mal wurden am 14. September 2015 mit kilometerlangen Laserinterferometern in den USA Gravitationswellen nachgewiesen. Die Nachweisgeräte LIGO, was für Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory steht, sind seitdem in aller Munde. Die Analyse des Signals namens GW150914 enthüllte die Quelle: Zwei Schwarze Löcher, jedes von ihnen mit der Masse von ungefähr 30 Sonnen, waren in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung zusammengestoßen und brachten die Raumzeit des Universums zum Beben (siehe SuW 4/2016, S. 24). Die winzigen Erschütterungen hatten beide LIGO-Interferometer gespürt. Für diese Sensation wurde der Physik-Nobelpreis 2017 an die drei LIGOForscher Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish vergeben.

Schon im Entdeckungsjahr erschütterten kollidierende Schwarze Löcher die Interferometer erneut. Der erste Beobachtungslauf O1 endete dann im Januar 2016 mit einer Ausbeute von drei Ereignissen (GW150914, GW151012 und GW151226). Es waren immer Paare von Schwarzen Löchern, die nach finalem Todestanz zu einem massereicheren Loch verschmolzen.

Dann folgte eine Wartung der komplexen Apparaturen inklusive einem Upgrade, um die Empfindlichkeit der Messgeräte zu erhöhen. Von November 2016 bis August 2017 dauerte der darauf folgende, zweite Beobachtungslauf O2, der mit einem wahren Feuerwerk endete: Am 17. August ging zum ersten Mal ein neuer Signaltyp ins Netz, nämlich verschmelzende Neutronensterne (siehe SuW 12/2017, S. 24). Das war aus zwei Gründen ein fulminanter Erfolg: Erstens haben Neutronensterne viel geringere Massen als Schwarze Löcher, so dass ihr Raumzeitbeben deutlich schwächer ausfällt und entsprechend schwieriger nachzuweisen ist. Zweitens wurde dieses Ereignis auch elektromagnetisch von rund hundert Observatorien weltweit in allen möglichen Wellenlängenbereichen aufgespürt. Es war der Beginn der Multimessenger-Astronomie, die gleichzeitig Informationen über ein kosmisches Objekt über elektromagnetische Wellen und Gravitationswellen empfängt. Astronomen kennen mittlerweile einige dieser Neutronendoppelsterne. Der Erste von ihnen wurde 1974 mit der Arecibo-Radioschüssel entdeckt und heißt PSR B1916+13 oder kurz nach seinen Entdeckern »Hulse-Taylor-Pulsar«. Einer der Neutronensterne ist radioastronomisch als Pulsar beobachtbar, der andere ist unsichtbar und verrät sich nur durch seine Wirkung auf den Pulsar. Die allmähliche Annäherung der beiden Sternleichen ließ den eindeutigen Schluss zu, dass das Paar Bewegungsenergie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verliert. Das Nobelpreiskomitee würdigte diesen indirekten Nachweis von Einsteins Raumzeitwellen schon im Jahr 1993.

Teresita Ramirez / Geoffrey Lovelace / SXS Collaboration / LIGO-Virgo Collaboration

Je größer der blaue Fleck, umso größer ist die Lochmasse der hier dargestellten zehn Kollisionen Schwarzer Löcher. An der jeweils darunter gezeigten zeitlichen Entwicklung der Gravitationswelle mit zunehmender Frequenz und Amplitude lassen sich die letzten Momente des Todestanzes ablesen.

Video zu den zehn Todestänzen Schwarzer Löcher:
www.ligo.caltech.edu/video/ligo20181203v1 Minibeben der Raumzeit

Gravitationswellen entstehen immer dann, wenn Massen beschleunigt werden und die Massenverteilung Abweichungen von der Kugelsymmetrie aufweist. Die Wellen breiten sich dann mit Lichtgeschwindigkeit aus und erschüttern das Raumzeitgefüge. Sie bewirken Abstandsänderungen in Gegenständen, die sie treffen und beeinflussen auch die Zeit.

Albert Einstein entdeckte 1916 auf der Grundlage seiner allgemeinen Relativitätstheorie die neue Wellenform. Er berechnete, dass das Verbiegen von Raum und Zeit ein aberwitzig kleiner Effekt ist. Gravitationswellenjäger haben sich viele Jahrzehnte schwer getan, die mysteriösen Raumzeitwellen aufzuspüren. Mit Einsteins Gravitationswellengleichung lässt sich nachrechnen, dass nur heftige Beschleunigungen von extrem kompakten Objekten spürbar die Raumzeit erschüttern. Somit können Gravitationswellenjäger nur auf extreme kosmische Ereignisse hoffen.

Anfangs hatten die Astrophysiker vor allem Sternexplosionen auf dem Schirm. Sie erschienen als natürlicher, hoffnungsvoller Kandidat für starke Gravitationswellenausbrüche, weil im Gravitationskollaps eines massereichen Sterns mit anschließender nach außen gerichteter Explosion, die Massen des sterbenden Sterns extrem beschleunigt werden (siehe SuW 3/2011, S. 30). Diese Zuversicht wurde in den 1980er Jahren getrübt, als vereinfachte Simulationen der Vorgänge im Sterninnern offenbarten, dass der Gravitationswellenausbruch doch eher mager ausfällt. Bis heute ist es nicht gelungen, die Gravitationswellen von Supernovae nachzuweisen.

Die Paradequelle für gemessene Gravitationswellen sind Doppelsysteme. Es handelt sich um zwei Massen, die sich umkreisen, allerdings nicht irgendwelche Sterne, sondern am besten kompakte Sternüberreste wie Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Kompakt bedeutet, dass sich viel Masse in einem kleinen Raumvolumen befinden muss. Zwar strahlen auch normale Sterne in Doppelsystemen Gravitationswellen ab, aber die Amplituden dieser Wellen sind weit unterhalb der Nachweisgrenze. Eine zweite Einschränkung ist, dass sich die Massen eng umkreisen sollten. Denn anhand des keplerschen Gesetzes wird klar, dass die Bahngeschwindigkeit zunimmt, je näher sich die Massen umkreisen. So kreist der Merkur schneller um die Sonne als die Erde; und diese wiederum schneller als der Jupiter.

Die Beschleunigungen der Massen sind bei engen Paaren demnach höher und die Gravitationswellen schlagen höher. So verwundert es nicht, dass alle bisher entdeckten Gravitationswellen von engen und schließlich verschmelzenden Paaren aus kompakten Endobjekten stammen.

Die Wellenform solcher Paare wird von den Experten »Chirp-Signal« genannt. Es hat ganz charakteristische Eigenschaften und hohen Wiedererkennungswert. Durch die zunehmende Beschleunigung auf der Bahn nehmen Ausschlag und Frequenz der Gravitationswelle zu (siehe Bild oben). Nach der Annäherungsphase kommt es zur Kollision, so dass eine Maximalfrequenz und -amplitude erreicht wird. Danach klingt das Signal sehr schnell ab, weil nun keine Masse mehr beschleunigt wird. Selbst der Zusammenstoß der Schwarzen Löcher des Durchbruchsignals GW150914 von 2015 (im Bild auf S. 42 rot dargestellt) verformte die Apparatur für Sekundenbruchteile nur um ein Zehntausendstel eines Protondurchmessers. Das sind höchste Anforderungen an die Messtechnik.

Die Nadel im Heuhaufen wäre eine leichte Aufgabe

Das größte Problem der Gravitationswellenjäger besteht darin, dass die Spiegel des Interferometers ständig durch alle möglichen Störungen erschüttert werden. Mechanische Schwingungen der Erde und der Apparatur, zum Beispiel hervorgerufen durch vorbeifahrende Züge, branden de Meereswellen an der Küste oder auch einfach nur am Experiment arbeitende Menschen erzeugen ein Beben, das viel stärker ist, als das durch Gravitationswellen bewirkte Zittern der Raumzeit. Auch unvermeidliche Wärmebewegungen im Spiegelmaterial – im Prinzip das Hin- und Herzappeln der Atome – oder das Trommeln der Laserstrahlen auf die Spiegelfläche erzeugen ein Rauschen, das alle winzigen Gravitationswellensignale überlagert. Die große Schwierigkeit besteht darin, in dem Chaos des Rauschens die charakteristischen Signalformen zu finden.

Alle spektakulären Messerfolge sind das Werk des rund 1200-köpfigen LIGOVirgo- Teams. Auch deutsche Forscher und Techniker sind hier beteiligt. Das deutschbritische Gravitationswellen-Laserinterferometer GEO600 mit 600 Meter Armlänge befindet sich in der Nähe von Hannover. Es ist seit Jahrzehnten Ideenschmiede für neue Technologien, und viele Methoden der Gravitationswellenforschung werden daran erprobt (siehe SuW 12/2017, S. 38). Leider ist es ungefähr um den Faktor 5 weniger empfindlich, so dass man keines der bislang registrierten LIGO-Virgo-Ereignisse damit messen konnte.

In den Beobachtungsläufen O1 und O2 waren die LIGO-Detektoren in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) erfolgreich. Im August 2017, als O2 schon dem Ende nahte, wurde das italienische Gravitationswellen-Laserinterferometer Virgo dazu geschaltet. Es half, die im August entdeckten Ereignisse am Himmel viel genauer zu lokalisieren, weil nun die Lichtlaufzeiten vom kosmischen Entstehungsort der Gravitationswelle zu drei Nachweisgeräten bekannt waren.

Highlights der elf Signale

Bis Herbst 2018 waren sieben Ereignisse bekannt: sechs Verschmelzungen von Paaren Schwarzer Löcher und eine Kollision von zwei Neutronensternen. Der nun Ende November 2018 präsentierte Gravitationswellenkatalog des LIGO-Virgo-Teams enthält auf Grund verbesserter Datenanalyseverfahren vier neue Ereignisse, die alle wieder von kollidierenden Schwarzen Löchern herrühren. Sie heißen GW170729, GW170809, GW170818 und GW170823 (siehe Tabelle rechts).

Das Durchbruchereignis GW150914 war bis dato das heftigste Raumzeitbeben mit dem stärksten Wellenausschlag und dem massereichsten Schwarzen Loch, das aus der Kollision hervorging. Den neuen Rekord hält nun Neuzugang GW170729. Hierbei verschmolzen ein Schwarzes Loch mit 50,6 und eines mit 34,3 Sonnenmassen. Übrig blieb ein größeres Schwarzes Loch mit 80,3 Sonnenmassen. Die Diskrepanz der Summe der Lochmassen vor der Kollision und der Masse des Relikts beträgt rund fünf Sonnenmassen. Gemäß Einsteins berühmter Formel E = mc2 gehört zu d ieser Masse e ine immense Energie, die in Sekundenbruchteilen in Gravitationswellen abgestrahlt wurde – auch das ein neuer Rekord. Fünf Milliarden Jahre war die Raumzeitwelle dann unterwegs und kommt somit aus einer Zeit, als es unser Sonnensystem noch nicht gab. Bei derartig großen Signallaufzeiten müssen wir aufpassen und können sie nicht einfach in Lichtjahre umrechnen, weil sich in der Zwischenzeit das Universum ausdehnte. Die Entfernung von GW170729 beträgt nicht fünf, sondern fast neun Milliarden Lichtjahre. Damit hält dieses Ereignis auch den neuen Entfernungsrekord.

Der Zusammenstoß zweier Neutronensterne in GW170817 ist bislang die Perle unter den elf Signalen des neuen Gravitationswellenkatalogs. Dieser Sonderling wurde als einziges Signal gleichzeitig auch elektromagnetisch mit rund hundert Observatorien in verschiedenen Wellenlängenbereichen verfolgt. Somit markiert es die neue Ära der Multimessenger- Astronomie. Ein Unikat ist es auch, weil der Ursprungsort seines Raumzeitbebens so präzise bekannt ist, wie in keinem anderen Fall (siehe Bild S. 44). Die Kollision der beiden Neutronensterne geschah in der linsenförmigen Galaxie NGC 4993 in einer Entfernung von nur 130 Millionen Lichtjahren. Auf den Gravitationswellenausbruch folgte keine zwei Sekunden später ein elektromagnetischer Gammablitz, dessen Energie aus dem Zerfall radioaktiver Elemente gespeist wurde. Schwarze Löcher rotieren, weil sie sich Materie aus ihrer Umgebung einverleiben, die Drehimpuls hat. Für alle elf Quellen des Katalogs geben die Forscher Rotationswerte des übrig gebliebenen Schwarzen Lochs an. Diese Werte streuen von 66 bis 89 Prozent des Maximalwerts (bei einem Messfehler von rund zehn Prozent). Genaue Angaben können der Publikation zum Katalog entnommen werden.

Die LIGO-Virgo-Forscher sind mit dem neuen Katalog in der Lage, genauere Sta- tistiken anzugeben, wie oft Verschmelzungen in einem gegebenen Volumen auftreten. So erwarten sie jährlich in einem riesigen Würfel mit 3,3 Milliarden Lichtjahren Kantenlänge zehn bis 100 Kollisionen zweier Schwarzer Löcher mit Massen zwischen fünf und 50 Sonnenmassen. Das entspricht zirka zwei Ereignissen pro Beobachtungsmonat. Im gleichen Volumen geschehen jährlich viel mehr Verschmelzungen von Neutronensternpaaren, nämlich 110 bis 3840 Ereignisse. Noch nie wurde bislang der Zusammenstoß von einem Neutronenstern mit einem Schwarzen Loch beobachtet. Das sollte in oben genanntem Volumen höchstens 610 Male pro Jahr passieren.

Die Elf im Überblick

Seit dreieinhalb Jahren werden Gravitationswellen, die aus den Tiefen des Alls kommen, direkt gemessen. Bisher gab es eine Ausbeute von elf Signalen. Immer waren es kompakte Sternüberreste, die miteinander zusammenstießen, entweder zwei Schwarze Löcher (SL-SL) oder zwei Neutronensterne (NS-NS). Viele der mit Gravitationswellen nachgewiesenen Schwarzen Löcher sind massereicher als Astronomen auf der Grundlage der Sternentwicklung erwartet hatten. Alle Ereignisse sind deutlich weiter entfernt als der Virgo- Galaxienhaufen. Die vier Neuzugänge sind fett hervorgehoben.

The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration

Das Oval zeigt den gesamten Himmel, wie er von der Erde aus optisch gesehen werden kann. Das Band der Milchstraße ist gut zu erkennen. Die farbigen Flächen markieren die Orte aller elf Signale, wo die Wellen herkamen. Da ab August 2017 der dritte Detektor Virgo mit messen konnte (Ausnahme GW170823), sind diese Ursprungsorte besser auf kleine Flächen einzugrenzen. HLV steht für die drei Detektoren LIGO Hanford, LIGO Livingston und Virgo.

ANDREAS MÜLLER ist promovierter Astrophysiker, Sachbuchautor und Mitglied der Chefredaktion von »Sterne und Weltraum«.

Bald fünf aktive Interferometer

Die Aussichten für die Gravitationswellenforschung sind rosig. Ende 2019 werden die Japaner mit dem Gravitationswellen- Laserinterferometer KAGRA zu den Messkampagnen hinzustoßen. Ihr Detektor ist auch L-förmig wie LIGO, Virgo und GEO600. KAGRA befindet sich allerdings unter der Erde in der Kamioka-Mine, rund 220 Kilometer nordwestlich von Tokio. Es klingt verrückt, einen hochempfindlichen Gravitationswellendetektor im erdbebengeplagten Japan betreiben zu wollen. Aber das geht, weil diese seismischen Störungen nur bei bestimmten Frequenzen zuschlagen und recht gut verstanden sind.

Der japanische Detektor KAGRA verfügt über Spiegel aus einem anderen Material, nämlich Saphir. Er kann bis auf rund –250 Grad Celsius heruntergekühlt werden, so dass das thermische Rauschen des Spiegelmaterials besonders gut unterdrückt werden kann. Damit ist diese neue Anlage besonders empfindlich im niederfrequenten Bereich unterhalb von etwa zehn Hertz Gravitationswellenfrequenz.

In den letzten anderthalb Jahren waren alle Gravitationswellen-Laserinterferometer abgeschaltet, wurden gewartet und technisch auf den neuesten Stand gebracht. Der dritte Beobachtungslauf O3 soll nun im Februar 2019 beginnen.

Es steht noch einiges auf der Wunschliste der Gravitationswellenjäger. Lange überfällig ist eine Supernova in unserem eigenen Milchstraßensystem. Sie würde auf Grund ihrer Nähe zur Erde die Detektoren stark erschüttern. Bislang unentdeckt blieben auch Gravitationswellen von einem ungleichen Paar aus Neutronenstern und Schwarzem Loch. Und natürlich ist das große, sicherlich noch ferne Ziel der Forscher, das Raumzeitbeben des Urknalls aufzuspüren.

Literaturhinweise

Janka, H.-T., Klose, S., Röpke, F.: Supernovae und kosmische Gammablitze. In: Sterne und Weltraum 3/2011, S. 30 – 41

The LIGO-Virgo Collaboration: GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs. In: LIGOP1800307, arXiv:1811.12907

Müller, A.: 10 Dinge, die Sie über Gravitationswellen wissen wollen. Springer, Heidelberg 2017

Pössel, M.: Erster Nachweis: Verschmelzende Neutronensterne. In: Sterne und Weltraum 12/2017, S. 24 – 33

Reichert, U.: Interview mit Karsten Danzmann »Ich empfinde einfach nur Freude«. In: Sterne und Weltraum 12/2017, S. 38 – 40

Reichert, U.: Eine neue Ära der Astrophysik. In: Sterne und Weltraum 4/2016, S. 24 – 35

Dieser Artikel und Weblinks unter:
www.sterne-und-weltraum.de/artikel/ 1614914


Harvard-Smithsonian Center for Ast Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (https://supernova.eso.org/germany/exhibition/images/1217_B_colliding-neutron-stars-orig-CCfinal/) / CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode)