Gravitationswellen 100 Jahre nach Einsteins Vorhersage entdeckt

LIGO öffnet mit der Beobachtung von Gravitationswellen kollidierender schwarzer Löcher ein neues Fenster zum Universum – Entscheidende Beiträge von Forschenden der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität Hannover

11. Februar 2016

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet, die – ausgelöst von einem Großereignis im fernen Universum – die Erde erreichten. Diese Beobachtung bestätigt eine wichtige Vorhersage der von Albert Einstein im Jahr 1915 formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie öffnet gleichzeitig ein vollkommen neues Fenster zum Kosmos.

Gravitationswellen tragen Information über ihre turbulente Entstehung und das Wesen der Gravitation. Sie sind auf keine andere Weise zugänglich. Physiker haben festgestellt, dass die beobachteten Gravitationswellen während des letzten Sekundenbruchteils der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern entstanden. Dabei entstand ein einzelnes, massereicheres, rotierendes schwarzes Loch. Diese Kollision von zwei schwarzen Löchern war zuvor vorhergesagt, aber noch nie beobachtet worden.

Die Gravitationswellen wurden am 14. September 2015 um 5:51 Uhr US-Ostküstenzeit (9:51 Uhr Weltzeit) von beiden identischen Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO)-Detektoren in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) in den USA registriert. Die LIGO-Observatorien werden von der National Science Foundation (NSF) finanziert. Caltech und MIT entwarfen, bauten und betreiben die Detektoren. Die Entdeckung wurde zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters akzeptiert. Die LIGO Scientific Collaboration (welche die GEO Collaboration und das Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy umfasst) und die Virgo Collaboration machten die Entdeckung in Daten der zwei LIGO-Detektoren.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Potsdam und vom Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover (LUH) haben in mehreren Schlüsselgebieten entscheidend zur Entdeckung beigetragen: mit der Entwicklung und dem Betrieb extrem empfindlicher Detektoren an den Grenzen der Physik, mit effizienten Methoden der Datenanalyse, die auf leistungsfähigen Computerclustern laufen und mit hochgenauen Wellenformmodellen, um das Signal aufzuspüren und astrophysikalische Information daraus zu gewinnen.

Fortschrittliche Detektortechnologien von GEO600

Die GEO-Kollaboration besteht aus Forschenden der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität sowie von britischen Institutionen. Sie entwickelten und betreiben den Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover. Er dient als Ideenschmiede und Prüfstand für fortschrittliche Detektortechnologien. Die meisten der Schlüsseltechnologien, die zur nie zuvor erreichten Empfindlichkeit von Advanced LIGO (aLIGO) beigetragen haben und die Entdeckung ermöglichten, wurden innerhalb der GEO-Kollaboration entwickelt und getestet. Beispiele sind Signalüberhöhung, resonante Seitenband-Extraktion und monolithische Spiegelaufhängungen. AEI-Forschende haben gemeinsam mit Kollegen des Laser Zentrum Hannover e.V. außerdem die Hochleistungslasersysteme von aLIGO entwickelt und am Detektor installiert. Die Laser sind entscheidend für die hochpräzisen Messungen.

„Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach Gravitationswellen, aber erst jetzt verfügen wir über die unglaublich präzisen Technologien, um diese extrem schwachen Echos aus dem fernen Universum wahrzunehmen“, sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Diese Entdeckung wäre unmöglich gewesen ohne die Anstrengungen innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft, der Leibniz Universität, der GEO-Kollaboration und die dort entwickelten Technologien.“

Rechenleistung und Analysemethoden für die Entdeckung

Max-Planck-Forschende entwickelten und implementierten fortschrittliche und effiziente Datenanalyse-Methoden, um nach schwachen Gravitationswellen-Signalen in den Daten der aLIGO-Detektoren zu suchen. Sie führten außerdem den Großteil der Produktions-Datenanalyse aus. Zusätzlich stellte der vom AEI betriebene Cluster Atlas, der weltweit leistungsfähigste Großrechner für die Suche nach Gravitationswellen, den Hauptteil der Rechenleistung für die Entdeckung und die Analyse von aLIGO-Daten zur Verfügung. Atlas trug mehr als 24 Million CPU-Kern-Stunden zu dieser Analyse bei.

„Ich bin stolz darauf, dass zwei Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik das Signal als Erste gesehen haben und dass unser Institut eine führende Rolle bei dieser spannenden Entdeckung spielt“, sagt Prof. Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. „Einstein selbst glaubte, Gravitationswellen wären zu schwach, um sie nachzuweisen, und er glaubte nicht an die Existenz Schwarzer Löcher. Aber ich denke, dass er nichts dagegen hätte, sich geirrt zu haben!“

Genaue Wellenformmodelle ebnen Weg zur Beobachtung verschmelzender schwarzer Löcher

Max-Planck-Forschende entwickelten hochgenaue Modelle der Gravitationswellen, die schwarze Löcher beim Umrunden und letztendlichen Kollidieren miteinander aussenden. Diese Wellenformmodelle wurden in der fortlaufenden Suche nach verschmelzenden Binärsystemen in den LIGO-Daten implementiert und angewandt. Diese Suche hat das Signal von der Verschmelzung schwarzer Löcher, das als GW150914 bezeichnet wird, mit einer statistischen Signifikanz von mehr als 5 Standardabweichungen beobachtet. Max-Planck-Forschende nutzen außerdem dieselben Wellenformmodelle, um auf die astrophysikalischen Parameter der Quelle zu schließen: dazu zählen die Massen und Eigendrehungen der zwei schwarzen Löcher, die Ausrichtung des Systems und seine Entfernung zur Erde und auch Masse und Eigendrehung des riesigen schwarzen Lochs, dass in der Verschmelzung entstand. Diese Modelle dienten auch dazu, die Übereinstimmung von GW150914 mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen.

„Seit Jahren arbeiten wir daran, die Gravitationswellen zu modellieren, die von einem der extremsten Ereignisse im Universum ausgestrahlt werden: Paare schwarzer Löcher, die einander umrunden und dann miteinander verschmelzen. Und genau dieses Signal haben wir nun gefunden!“ sagt Prof. Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. „Es ist überwältigend zu sehen wie genau Einsteins Relativitätstheorie die Realität beschreibt. GW150914 stellt eine bemerkenswerte Gelegenheit dar, Gravitation unter Extrembedingungen zu untersuchen.

LIGO-Forschung wird innerhalb der LIGO Scientific Collaboration (LSC) durchgeführt, einer Gruppe von mehr als 1000 Forschenden von Universitäten in den USA und in 14 weiteren Ländern. Mehr als 90 Universitäten und Forschungseinrichtungen in der LSC entwickeln Detektor-Technologien und analysieren die Daten; rund 250 Studierende tragen als wichtige Mitglieder zur Kollaboration bei. Das Detektornetzwerk der LSC umfasst die LIGO-Interferometer und den GEO600-Detektor. Das GEO600-Team umfasst Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI), an der Leibniz Universität Hannover, zusammen mit Partner an der University of Glasgow, der Cardiff University, der University of Birmingham und anderen Universitäten in Großbritannien, und die Universitat de les Illes Balears in Spanien.

LIGO wurde ursprünglich zur Messung von Gravitationswellen in den 1980er Jahren von drei Personen vorgeschlagen: Rainer Weiss, emeritierter Physikprofessor des MIT, Kip Thorne, emeritierter Richard P. Feynman Professor für Theoretische Physik am Caltech, und Ronald Drever, emeritierter Physikprofessor, ebenfalls am Caltech.

Virgo-Forschung wird von der Virgo Collaboration durchgeführt, die aus mehr als 250 Physikern und Ingenieuren aus 19 verschiendenen europäischen Forschungsgruppen besteht: 6 vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, 8 vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien, 2 in den Niederlanden am Nikhef, das Wigner RCP in Ungarn, die POLGRAW-Gruppe in Polen und das European Gravitational Observatory (EGO), das Labor, das den Virgo-Detektor nahe Pisa in Italien betreibt.

Die erweiterte Leistungsfähigkeit von Advanced LIGO ermöglichte die Entdeckung. Advanced LIGO ist ein große Erweiterung der Instrumente zur Erhöhung ihrer Empfindlichkeit gegenüber der ersten Generation der LIGO-Detektoren. Damit nahm das von ihnen erfasste Volumen enorm zu und ermöglichte so den Nachweis von Gravitationswellen im ersten Beobachtungslauf. Die US National Science Foundation ist führend in der Finanzierung von Advanced LIGO. Förderorganisationen in Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), Großbritannien (Science and Technology Facilities Council, STFC) und Australien (Australian Research Council) haben entscheidende Beiträge zum Projekt geleistet. Viele der Schlüsseltechnologien, die Advanced LIGO so viel empfindlicher machten, wurden von der deutsch-britischen GEO Collaboration entwickelt und getestet. Entscheidende Computer-Ressourcen wurden vom Atlas-Cluster am AEI Hannover, dem LIGO Laboratory, der Syracuse University und der University of Wisconsin-Milwaukee zur Verfügung gestellt. Viele Universitäten entwickelten, bauten und testeten entscheidende Komponenten von Advanced LIGO: die Australian National University, die University of Adelaide, die University of Florida, Stanford University, Columbia University of New York und Louisiana State University.

Begleitmaterialien und weitere Informationen:

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut (AEI)) ist ein Institut der Max-Planck-Gesellschaft mit Teilinstituten in Potsdam-Golm und in Hannover, wo es eng mit der Leibniz Universität Hannover zusammenarbeitet. Seit seiner Gründung im Jahr 1995 hat sich das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik als international führende Forschungseinrichtung etabliert. Fünf Abteilungen und mehrere unabhängige Forschungsgruppen bearbeiten am AEI das gesamte Spektrum der Gravitationsphysik: von den gewaltigen Dimensionen des Universums bis zu den winzigen Strings. Das AEI ist die einzige Forschungseinrichtung weltweit, die all diese Felder unter einem Dach vereint. Drei der fünf Abteilungen sind Teil der LIGO Scientific Collaboration und haben entscheidend dazu beigetragen, den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen Realität werden zu lassen.

Das Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannoverbefindet sich am gleichen Ort wie das AEI Hannover. Unter einem Dach arbeiten Wissenschaftler beider Institutionen eng an allen Aspekten der Gravitationswellenforschung. Mehr als 50 Studierende arbeiten als Doktoranden an der Leibniz Universität in der gemeinsamen International Max Planck Research School (IMPRS) on Gravitational Wave Astronomy.

Gravitationswellenforschung in der Max-Planck-Gesellschaft hat eine lange Tradition und reicht bis zu den ersten Anfängen in den 1960er Jahren zurück. Die Max-Planck-Forschungsgruppe führte Koinzidenz-Experimente zwischen resonanten Detektoren durch und widerlegte so die frühen Behauptungen eines direkten Nachweises von Gravitationswellen in den 1960er Jahren. Danach wandte sich die Gruppe der Laserinterferometrie zu und baute die ersten ernstzunehmenden Prototypen von laserinterferometrischen Gravitationswellen-Detektoren. Dabei entwickelten und/oder demonstrierten sie die meisten der Kernkonzepte, die nun ein zentraler Bestandteil aller großen Gravitationswellen-Observatorien sind: optische Modenfilter, Streulichtunterdrückung, Leistungsüberhöhung und später in der Zusammenarbeit mit der Leibniz Universität Hannover duales Recycling, resonante Seitenband-Extraktion, thermisch-adaptive Optik, mehrstufige monolithische Aufhängungen und stabilisierte Hochleistungslaser.

Gravitationswellen sind eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Danach erzeugen beschleunigte Bewegungen großer Massen Kräuselungen in der Raumzeit, die sich noch in großer Entfernung als winzige Abstandsänderungen zwischen Objekten nachweisen lassen. Doch selbst Gravitationswellen, die von astrophysikalischen Quellen – wie Sternexplosionen oder verschmelzenden schwarzen Löchern – erzeugt werden, verändern die Länge einer einen Kilometer langen Messstrecke nur um den Tausendstel Durchmesser eines Protons (10-18 Meter). Erst jetzt haben die Detektoren die erforderliche Empfindlichkeit erreicht, um Gravitationswellen zu messen. Die Beobachtung des bislang dunklen „gravitativen Universums“ läutet ein neues Zeitalter der Astronomie ein. Die Kollaboration umfasst interferometrische Gravitationswellen-Detektoren wie aLIGO (in den USA), GEO600 (in Deutschland) und Virgo (in Italien) sowie die geplanten Detektoren in Japan und Indien. Ein Detektor für niederfrequente Gravitationswellen im Weltraum (LISA) wird von ESA- und NASA-Wissenschaftlern und Forschenden der Leibniz Universität Hannover und vom AEI, die eine führende Rolle spielen, vorbereitet.

Das Signal, das nun entdeckt wurde, wird als GW150914 bezeichnet, da es die Erde am 14. September 2015 um 09:50:45 Weltzeit erreichte. Es wurde von beiden LIGO-Detektoren in Hanford und in Livingston registriert. Es dauerte rund 0,2 Sekunden, während derer das Signal in Frequenz und Amplitude zunahm. Über diesen Zeitraum stieg die Frequenz von 35 Hertz auf 250 Hertz an und das Signal hatte eine Spitzenamplitude von 10-21.

Aus den Ankunftszeiten des Signals – der Detektor in Livingston registrierte das Signal 7 Millisekunden vor dem Detektor in Hanford – schließen die Wissenschaftler, das die Quelle in der südlichen Himmelshalbkugel liegt.

Das Signal stimmt mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie für das Signal des finalen Umrundens und der letztendlichen Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern mit der 36- und 29-fachen Masse unserer Sonne überein. Das dabei entstehende schwarze Loch hat die 62-fache Masse unserer Sonne. Das Energieäquivalent von rund 3 Sonnenmassen wurde in einem Sekundenbruchteil in Gravitationswellen umgesetzt – das entspricht einer maximalen Leistung von rund 50-mal der des gesamten sichtbaren Universums. Aus den Beobachtungen wurde auf eine Entfernung von rund 410 Millionen Parsec (1,3 Milliarden Lichtjahre) zu dem System geschlossen.

Durch Charakterisierung der zufälligen Schwankungen des Rauschen in den Advanced LIGO-Detektoren ermittelten die Forschenden die statistische Signifikanz des Signals zu 5,1 Standardabweichungen. Das bedeutet, dass ein solches Signal in den 16 Tagen ausgewerteter Beobachtung weniger als einmal in 200.000 Jahren durch zufällige Rauschschwankungen entstehen kann.

Advanced LIGO besteht aus interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren an zwei Standorten, einer in Hanford (Washington State, USA) und einer in Livingston (Louisiana, USA). An beiden Detektoren wird Laserlicht durch vier Kilometer lange, L-förmig angeordnete Vakuumröhren geschickt, um hochpräzise die Position von Spiegeln an den Röhrenenden zu vermessen. Nach Einsteins Relativitätstheorie ändert sich der Abstand der Spiegel minimal, wenn eine Gravitationswelle den Detektor durchläuft. Längenänderungen von weniger als dem Zehntausendstel eines Protondurchmessers (10-19 Meter) lassen sich so nachweisen.

Unabhängige und weit voneinander entfernte Observatorien sind erforderlich, um sicherzustellen, dass die Signale tatsächlich aus dem Weltall kommen und um die Himmelsposition ihrer Quelle zu bestimmen.

Advanced LIGO beendete die erste wissenschaftliche Datenaufnahme am 12. Januar 2016 nach vier Monaten Laufzeit. Während dieser Zeit war die Empfindlichkeit 3 bis 5 Mal höher als die von initial LIGO vor dem Ausbau. Beim Erreichen der Design-Empfindlichkeit wird eine 10-fache Erhöhung erwartet.

GEO600 ist ein interferometrischer Gravitationswellen-Detektor nahe Hannover mit 600 Meter langen Röhren für die Laserstrahlen. Entwicklung und Betrieb wurden und werden von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und der Leibniz Universität Hannover zusammen mit Partnern in Großbritannien durchgeführt. GEO600 ist Teil des weltweiten Netzwerks von Gravitationswellen-Detektoren und ist derzeit der einzige Detektor, der durchgängig Messdaten aufnimmt. GEO600 ist außerdem eine Ideenschmiede für fortschrittliche Detektortechnologien wie nicht-klassisches (gequetschtes) Licht, Signal- und Leistungsüberhöhung und monolithische Aufhängungen für die Optik.

Atlas ist ein großer Computercluster am Albert-Einstein-Institut in Hannover mit enormer Rechenkraft. Atlas besteht aus mehr als 14.000 CPU- und 250.000 GPU-Rechenkernen. Dies macht Atlas zum leistungsfähigsten speziell für die Gravitationswellen-Datenanalyse gebauten Computercluster der Welt. Atlas wird hauptsächlich von der Max-Planck-Gesellschaft finanziert und erhält Betriebsmittel von der Leibniz Universität Hannover.

Informationen zur Finanzierung der Detektoren

Der Betrieb von LIGO wird von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanziert, die Detektoranlagen werden von Caltech und MIT betrieben. Das LIGO-Upgrade wurde von der NSF finanziert mit wichtigen finanziellen und technischen Beiträgen von der Max-Planck-Gesellschaft, dem britischen Science and Technology Facilities Council (STFC) und dem Australian Research Council (ARC).

Die Finanzierung von GEO600 tragen das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das Land Niedersachsen, die Max-Planck-Gesellschaft, der Science and Technology Facilities Council, und die VolkswagenStiftung.

Stimmen der beteiligten Wissenschaftler

Dr. Hartmut Grote (expert on: experimental aspects of GW detectors, GEO600, Advanced LIGO): „Ein wirklicher Meilenstein der Messtechnik, an dem wir Jahrzehnte gearbeitet haben! Ich bin sehr beeindruckt von der Vorstellung, dass eine Krümmung der Raumzeit als Welle durch das Weltall läuft, und uns, wie in diesem Fall, Signale von Schwarzen Löchern bringt.“

Apl. Prof. Dr. Gerhard Heinzel (expert on: experimental aspects of GW detectors, signal recycling, LISA): „Was wir vor 20 Jahren hier im Labor ausprobiert haben, funktioniert nun reibungslos und vollautomatisch auf vier Kilometer Länge. Und endlich ist ein Ergebnis da, keine technische Rauschkurve mehr sondern ein gigantisches Ereignis aus dem fernen Universum. Ein Traum ist wahr geworden!“

Dr. Harald Lück (expert on: experimental aspects of GW detectors, GEO600, Einstein Telescope): „Nun ist es tatsächlich wahr geworden: zum ersten Mal haben wir den Klang des Weltalls gehört! Unglaublich, dass dieses Signal, das nur klingt wie ein kurzer Schluckauf, von dem gewaltigsten Ereignis produziert wurde, was Menschen je beobachtet haben – für den Bruchteil einer Sekunde kraftvoller als das ganze Universum zusammen.“

Apl. Prof. Dr. Benno Willke (expert on: experimental aspects of GW detectors, aLIGO lasers): „Diese Entdeckung übersteigt die menschliche Vorstellungskraft: Vor mehr als einer Milliarde Jahren sind zwei schwarze Löcher miteinander verschmolzen und haben dabei dreimal die Masse unserer Sonne in Gravitationswellenstrahlung umgewandelt. Diese Strahlung hat im September letzten Jahres auf der Erde den Abstand von zwei 40 Kilogramm schweren Spiegeln um weniger als ein tausendstel eines Atomkerndurchmessers verändert und wir waren in der Lage dies zu messen! Unvorstellbar! Es ist ein erhebendes Gefühl, dass wir am Albert-Einstein-Institut und am Laserzentrum Hannover die Laser entwickelt und gebaut haben, die diese Entdeckung ermöglicht haben.“

Dr. Collin Capano (expert on: searches for gravitational waves from coalescing compact objects, GW150914): „My first encounter with GW150914 was my colleague next door banging on my office wall to show me the plot. When it became clear that it was not an injection, I was overwhelmed with excitment. I remember turning to Badri and asking, „What do we do now?““

Dr. Marco Drago (expert on: search pipeline which discovered the signal (coherent wave burst), GW150914): „I did not think it was real when I saw it. When I went to a colleagues office to talk to him about this, I did not say something like: „I saw an event“, I asked: „Do you know if someone is doing hardware injections?““

Dr. Andrew Lundgren (expert on: aLIGO detectors, detector characterization, searches for gravitational waves from coalescing compact objects, black holes, GW150914): „I never dreamt that one plot could change my view of the universe so much. Not only did we get a beautifully clear first detection, we’ve seen the first glimpse of a universe full of more activity in gravitational waves than we had ever imagined.“

Dr. Reinhard Prix (expert on: searches for continuous gravitational waves): „Gleich dieses erste Signal stellte sich als extrem reichhaltig für die Physik heraus, weit mehr als nur eine erster Nachweis: verschelzende schwarze Löcher, die wunderbare Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie erlaubten, mit astrophysikalische interessanten Massen, und vielem mehr. Die Ära der Gravitationswellen-Astronomie ist schon mit dieser ersten Beobachtung voll durchgestartet!“

Dr. Thomas Dent (expert on: searches for compact binary coalescence signals, optimizing search methods to distinguish between signals and detector artefacts, estimating the rate of binary black hole mergers in the Universe based on the detection): „It was not so certain that we would make this detection! In the years leading up to the first Advanced LIGO run there were long debates about whether we should be searching for such massive black holes or not – would the detectors be able to produce good enough data that we could be certain about claiming a detection with such a short signal? Even in the summer of 2015 it looked like XXXXXXX“

Dr. Alexander Nitz (expert on: searches for compact binary coalescence signals, software which carried out the most sensitive search for GW150914 presented in the detection paper): „I never expected that we’d find anything this early on, and the signal was so loud that my first reaction was that it could not possibly be real. How glad I am to be wrong.“

Dr. Tito Dal Canton (expert on: searches for compact binary coalescence signals, software which carried out the most sensitive search for GW150914 presented in the detection paper): „Nature really surprised me with such a loud and high-mass signal so early in the advanced detector era. I can’t wait to see the data from future scientific runs and I look forward to the detection of binaries containing neutron stars.“

Dr. Roland Haas (expert on: numerical-relativity modeling of compact-object binaries): „I was actually on vacation at the time of the detection, so when I returned to the Albert-Einstein Institute everybody was already hard at work analysing the data. What we had expected to be rare event turned out to have occured quite early on in LIGOs lifetime and we all focused on learning as much as we could from the event, doing work within weeks that we had not expected to attempt for months in the future.“

Dr. Ian Harry (expert on: searches for gravitational waves from coalescing compact objects, GW150914): „I’ve been working on searches for compact-object mergers since 2007. When I first saw this signal in the data I didn’t believe it was real. We never expected the first event to be so loud and clear. As Advanced LIGO rapidly becomes more and more sensitive, we look forward to seeing the field of gravitational-wave astronomy bloom in the coming years.“

Dr. M. Alessandra Papa (expertise: data analysis in the low signal-to-noise ratio regime, gravitational wave searches): „The detection of GW150914 is exciting beyond words: GW150914 represents the first direct detection of gravitational waves, is the first direct messenger of the dynamics of space-time in the strong-field and high-velocity regime, and its signal is strong enough to make this a text-book example. It was an honour to be able to play a role in this historical result. In particular I chaired the committee that reviewed the generic transients search that identified GW150914 within three minutes of data acquisition and was part of the team of six people who functioned as editors of the detection paper.“

Dr. Vivien Raymond (expert on: follow-up analyses of coalescing compact objects, GW150914): „This is such an amazing start to what we call the „advanced detector era“! Before even starting, we made the most impressive discovery we could hope for.“

Quelle:  http://www.aei.mpg.de/gwdetektion?seite=1

EINSTEINS VORHERSAGE BESTÄTIGTForscher weisen erstmals Gravitationswellen nach

Was Albert Einstein vor 100 Jahren theoretisch vorhersagte, wollen Forscher nun experimentell nachgewiesen haben. Ein Spezialobservatorium fing die Signatur zweier verschmelzender schwarzer Löcher auf. Eine physikalische Sensation.

Erstmals haben Astronomen nach eigenen Angaben Gravitationswellen direkt nachgewiesen und damit eine 100 Jahre alte Vorhersage von Albert Einstein belegt. Die Astrophysiker vom Ligo-Observatorium in den USA präsentierten ihre nobelpreisverdächtige Entdeckung am Donnerstag in Washington. Auch das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, das an der Suche beteiligt war, bestätigte die Entdeckung. Der Originalbericht wurde in den Physical Review Letters veröffentlicht.

Gravitationswellen entstehen, wenn zwei sehr große Massen – etwa schwarze Löcher oder Neutronensterne – eng umeinander kreisen. Dann wird ein Teil ihrer Energie in Gestalt dieser Wellen ins Universum abgestrahlt, durch das sie mit Lichtgeschwindigkeit jagen und die Raumzeit verformen. Die Deformationen sind extrem klein und für Menschen nicht wahrnehmbar.

Signal im September 2015 entdeckt

Das Spezialobservatorium Ligo in den USA zeichnete nun am 14. September 2015 um 5:51 Uhr US-Ostküstenzeit die Signatur zweier verschmelzender schwarzer Löcher auf. Das Signal, das mit GW150914 bezeichnet wird, dauerte rund 0,2 Sekunden. In diesem Zeitraum stieg die Frequenz von 35 Hertz auf 250 Hertz an Die Amplitude erreichte einen Spitzenwert von 1,0 mal 10 hoch minus 21, bezogen auf die Gesamtlänge der Messeinrichtung von vier Kilometern. Dies entspricht einer Längenänderung von etwa 10 hoch minus 18 Metern (Attometer). Aus den Ankunftszeiten des Signals – der Detektor in Livingston (Bundesstaat Louisiana) registrierte das Signal sieben Millisekunden vor dem Detektor in Hanford (Bundesstaat Washington) – schließen die Wissenschaftler, dass die Quelle in der südlichen Himmelshalbkugel liegt.

Durch Charakterisierung der zufälligen Schwankungen des Rauschens in den Detektoren ermittelten die Forscher die statistische Signifikanz des Signals zu 5,1 Standardabweichungen. Das bedeute, dass ein solches Signal in den 16 Tagen ausgewerteter Beobachtung weniger als einmal in 200.000 Jahren durch zufällige Rauschschwankungen entstehen könne, schreibt das Max-Planck-Institut.

Schwarze Löcher direkt beobachten

Der Nachweis bestätige nicht nur die Existenz der Gravitationswellen, sondern bedeute auch eine neue Ära in der Astronomie, betonten die Forscher. „Wir haben eine neue Art Teleskop gebaut und ein völlig neues Feld eröffnet“, sagte einer der Ligo-Gründungsväter, Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology. Den Analysen zufolge habe sich die Verschmelzung der beiden schwarzen Löcher in etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung in einem Gebiet am Südhimmel in Richtung des Sternbilds Schwertfisch ereignet, erläuterte Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover.

Erstmals ließen sich nun schwarze Löcher direkt beobachten, sagte Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Die Möglichkeit, Gravitationswellen direkt zu messen, stelle ein fundamental neues Werkzeug zur Erforschung des Universums dar, betonte Buonanno. „Damit beginnt mit Sicherheit eine neue Ära in der Physik und Astronomie.“ Mit der Gravitationswellenastronomie könnten in Zukunft Supernova-Explosionen, kreisende Neutronensterne oder verschmelzende schwarze Löcher beobachten lassen. „Nichts lenkt Gravitationswellen ab. Das heißt, wir können damit tief ins Innerste kosmischer Objekte blicken“, erläutert Weiss. „Eine der aufregendsten Beobachtungen wäre eine Supernova. Mit Hilfe von Gravitationswellen könnten wir sehen, was wirklich im Herz so einer Sternexplosion vorgeht.“

Wellen kaum nachweisbar

Gravitationswellen gehören zu den spektakulären Vorhersagen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Jeder beschleunigte Körper sendet demnach Gravitationswellen aus – also auch ein Autofahrer, der an einer Ampel startet. Die Wellen sind umso stärker, je mehr Masse der Körper hat. Jedoch sind sie in der Regel so winzig, dass Einstein selbst nicht daran glaubte, dass man sie jemals messen könnte. Seit über 50 Jahren suchen Physiker einen direkten Nachweis.

Dieser ist nun offensichtlich mit den beiden Ligo-Messstationen (Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium) in Livingston und Hanford gelungen. „Wir haben die letzten vier Umläufe von zwei schwarzen Löchern gesehen, bevor sie miteinander verschmolzen sind“, berichtete der geschäftsführende Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover, Bruce Allen. Das Institut ist aktiv an der Suche beteiligt und hat Technologie zu dem Ligo-Observatorium beigetragen. Zwei Wissenschaftler aus Hannover hätten das Signal aus den USA als erste bemerkt.

Deutlich mehr Masse als die Sonne

Den Analysen zufolge hatten die beiden beobachteten schwarzen Löcher 29 und 36 Mal so viel Masse wie unsere Sonne. Das aus ihrer Verschmelzung hervorgegangene schwarze Loch besitzt jedoch nur 62 Sonnenmassen. Die Differenz von drei Sonnenmassen ist gemäß Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz in Form von Gravitationswellenenergie abgestrahlt worden. Das soll innerhalb einer Viertelsekunde geschehen sein. „Dieses Objekt war kurzzeitig das energiereichste im ganzen Universum! Und trotzdem war es völlig dunkel“, sagte Danzmann.

Ligo misst das Erzittern der Raumzeit mit Hilfe von zwei jeweils vier Kilometer langen auf einem flachen Boden liegenden Röhren, die rechtwinklig aufeinander stoßen. Über ein Lasersystem in den Röhren lässt sich die Länge der Arme extrem genau überwachen. Läuft eine Gravitationswelle durch die Anlage, staucht und streckt sie die Arme unterschiedlich stark. Die verschmelzenden schwarzen Löcher stauchten die Anlage nur um ein Tausendstel der Dicke eines Wasserstoffatomkerns. Dennoch schlug der Detektor an.

Gerüchten zufolge hat Ligo bereits weitere Ereignisse erspäht. Das britische Wissenschaftsmagazin New Scientist vermutet mindestens drei Signale.

Nachtrag vom 11. Februar 2016, 17:16 Uhr

Wir haben weitere Details der Entdeckung ergänzt.

Quelle:  http://www.golem.de/news/einstein-bestaetigt-forscher-weisen-erstmals-gravitationswellen-nach-1602-119080.html

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