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Schwarze Löcher Gravitationswellen zum zweiten Mal nachgewiesen

| Autor / Redakteur: Dr. Benjamin Knispel* und Helmut Hornung** / Dr. Ilka Ottleben

Den Wissenschaftlern an den beiden amerikanischen LIGO-Detektoren sind erneut Gravitationswellen ins Netz gegangen. Das Signal war bereits am 26. Dezember 2015 aufgezeichnet worden. Es stammt von einem Paar verschmelzender schwarzer Löcher, die mit rund 14 und 8 Sonnenmassen kleiner sind als die am 14. September vergangenen Jahres entdeckten.

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Kosmischer Todestanz I: Die Simulation zeigt, wie zwei schwarze Löcher von 14 und 8 Sonnenmassen einander umkreisen. (Ausschnitt)
Kosmischer Todestanz I: Die Simulation zeigt, wie zwei schwarze Löcher von 14 und 8 Sonnenmassen einander umkreisen. (Ausschnitt)
(Bild: Numerisch-relativistische Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetime Projekt, Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich, R. Haas (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik))

Hannover, Potsdam, München – Auch dieses Mal haben Forscher am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover sowie der Leibniz Universität Hannover entscheidend zu dem Fund beigetragen: mit der Entwicklung hochgenauer Wellenmodelle, mit Suchmethoden für schwache Signale, beim Ermitteln der astrophysikalischen Eigenschaften und mit fortschrittlicher Detektortechnologie. Diese zweite Entdeckung zeigt, dass ein neues Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie begonnen hat.

Das Signal wurde in LIGOs erstem Beobachtungslauf „O1“ am 26. Dezember 2015 um 4:38:54 Uhr Mitteleuropäischer Zeit (MEZ) von beiden LIGO-Instrumenten gemessen und GW151226 genannt. Die Welle erreichte den Detektor in Livingston 1,1 Millisekunden vor dem in Hanford. Das Ereignis war deutlich schwächer als das erste vom September 2015 (LABORPRAXIS berichtete) und im Rauschen der Detektoren verborgen. Den Nachweis verdanken die Forscher letztlich der sogenannten Matched-Filter-Suche.

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Hoch präzise Wellenformmodelle erlauben Nachweis der Gravitationswellen

Eine derartige Suche vergleicht oder filtert die Daten mit vielen vorab berechneten Signalen, um die beste Übereinstimmung (englisch match) zu finden. Die berechneten Signale basieren auf den hoch präzisen Wellenformmodellen, die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) entwickelt haben. Sie erst ermöglichten dem LIGO-Team die Erkenntnis, dass das Signal von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern stammt.

„Es ist fabelhaft, dass unsere Wellenformmodelle dieses schwache, aber so unglaublich wertvolle Gravitationswellen-Signal aus dem Rauschen extrahiert haben“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI in Potsdam und Professorin an der University of Maryland. „GW151226 stimmt perfekt mit unseren theoretischen Vorhersagen dafür überein, wie zwei schwarze Löcher einander mehrere Dutzend Mal umrunden und schließlich miteinander verschmelzen.“

Signal von zwei schwarzen Löchern mit 14 und 8 Sonnenmassen

Nach dem Aufspüren des Signals enthüllten Folgeanalysen, für die das AEI die Hälfte der Rechenleistung bereitstellte, die astrophysikalischen Eigenschaften des beobachteten Doppelsystems. Zum Einsatz kam dabei Atlas – der weltweit leistungsfähigste zur Gravitationswellen-Datenanalyse eingesetzte Supercomputer mit deutlich mehr Rechenleistung als die aller anderen Systeme der LIGO- und Virgo-Kollaborationen.

Demnach besteht das jetzt beobachtete System GW151226 aus einem schwarzen Loch mit der 14-fachen Masse unserer Sonne und einem weiteren mit 8 Sonnenmassen. Die beiden Schwerkraftfallen verschmolzen in einer Entfernung von rund 1,4 Milliarden Lichtjahren miteinander. Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass sich mindestens eines der beiden schwarzen Löcher um die eigene Achse drehte. Die Verschmelzung strahlte dann das Äquivalent von einer Sonnenmasse in Gravitationswellen-Energie ab und hinterließ ein rotierendes schwarzes Loch mit 21 Sonnenmassen.

Max-Planck-Forscher in der Simulating eXtreme Spacetime Collaboration haben dieses Szenario mit numerisch-relativistischen Simulationen untermauert. Sie berechneten Verschmelzungen schwarzer Löcher mit Eigenschaften wie denen von GW151226. Diese wiederum stimmten über die gesamte Signaldauer hervorragend mit den oben erwähnten Wellenformmodellen überein, die benutzt wurden, um die astrophysikalischen Merkmale der Quelle zu ermitteln. Das bestätigte ebenfalls, dass GW151226 von der Kollision zweier stellarer schwarzer Löcher im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie erzeugt wurde.

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