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Kollidierenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen auf der Spur

Neue unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe in Hannover

28. Februar 2017

Seit Januar 2017 – gerade einmal rund ein Jahr nach dem Beginn der Gravitationswellen-Astronomie – ist das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover um ein junges Forscherteam reicher. Die von Dr. Frank Ohme geleitete unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe „Beobachtung und Simulation von kollidierenden Binärsystemen“ wird in den kommenden fünf Jahren Zusammenstöße von Schwarzen Löchern und Neutronensternen durch aufwändige Computersimulationen studieren und so an zentralen Fragen der neuen Gravitationswellen-Astronomie arbeiten.
Frank Ohme (rechts) mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern seiner neuen unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe. Bild vergrößern
Frank Ohme (rechts) mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern seiner neuen unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe.

„Als wir mit den LIGO-Instrumenten am 14. September 2015 erstmals direkt Gravitationswellen nachgewiesen haben, wussten wir schnell, dass Schwarze Löcher dahinter steckten. Aus der Form der Welle konnten wir viele Informationen über sie ableiten“, sagt Dr. Frank Ohme, Leiter der unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe. „Dies war nur möglich, weil wir die erwartete Form der Wellen aus theoretischen Vorhersagen – Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen – kannten.“ Diese Gleichungen bestimmen, wie Schwarze Löcher die Raumzeit krümmen und Gravitationswellen erzeugen, die sich mit Detektoren wie LIGO, Virgo und GEO600 beobachten lassen.

Im „Holodeck“ Gravitationswellen simulieren

Allerdings sind diese Gleichungen auch so kompliziert, dass sich der heftigste (und interessanteste) Teil der Kollision nur mit Hilfe aufwändiger Simulationen auf Großrechnern verstehen lässt. Um zukünftig jedes Quäntchen wissenschaftlicher Information aus den schwachen Messsignalen zu extrahieren, werden daher immer aufwändigere numerische Simulationen von einer Handvoll Arbeitsgruppen rund um die Welt durchgeführt. Die neu eingerichtete unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe am AEI ist eine von ihnen. Sie betreibt für diese rechenzeitintensiven Simulationen „Holodeck“, einen Computercluster mit insgesamt 680 CPU-Kernen und schneller Infiniband-Netzwerkverbindung.

„Wir wollen Modelle entwickeln, um die Dynamik verschmelzender Schwarzer Löcher besser zu verstehen und um faszinierende Phänomene wie präzedierende  – also taumelnde – Doppelsysteme oder die „Kicks“ extrem beschleunigter Schwarzer Löcher zu beobachten“, erklärt Ohme.

Neutronensterne – Materie im Ausnahmezustand

Visualisierung der Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem Schwarzen Loch entstehen. Die Stärke der Gravitationswellen in der Bahnebene des Doppelsternsystems ist als Deformation einer Ebene dargestellt, analog zu Wellen auf einem Teich. Bild vergrößern
Visualisierung der Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem Schwarzen Loch entstehen. Die Stärke der Gravitationswellen in der Bahnebene des Doppelsternsystems ist als Deformation einer Ebene dargestellt, analog zu Wellen auf einem Teich. [weniger]

Neben weiteren Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern gelten Signale verschmelzender Neutronensternpaare als heiße Kandidaten für die nächste Beobachtung. Neutronensterne sind die kompakten Überreste von Supernova-Explosionen, die mehr Masse als unsere Sonne in einer Kugel von nur 20 Kilometer Durchmesser vereinen. Ohmes Max-Planck-Forschungsgruppe wird mittels numerischer Simulationen das Verhalten von Materie bei den enormen Dichten in Neutronensternen erforschen. „Niemand weiß genau, wie sich Materie unter den Extrembedingungen in Neutronensternen verhält. Die Kombination von unseren Simulationen mit zukünftigen Beobachtungen von Gravitationswellen kollidierender Neutronensterne wird uns ganz neue Einblicke in diese faszinierenden Objekte ermöglichen“, sagt Ohme.

Am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover arbeitet Ohmes Gruppe eng mit der Abteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“ von Prof. Bruce Allen, Geschäftsführender Direktor des Instituts, zusammen. „Ich freue mich sehr, dass Frank Ohme sich entschieden hat, seine unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe an unserem Hannoveraner Institut anzusiedeln“, so Allen. „Damit sind wir noch besser für das nun beginnende Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie aufgestellt, denn es erweitert und stärkt unsere Forschung.“


Frank Ohme (geb. 1983) studierte Physik an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena und promovierte von 2009 bis 2012 am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Potsdam. In seiner Dissertation beschäftigte er sich mit der Schnittstelle zwischen numerisch-relativistischen Simulationen und Datenanalyse in der Gravitationswellenforschung. Nach einem kurzen Aufenthalt als wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI in Hannover arbeitete bis Ende 2016 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Cardiff in der School of Physics and Astronomy. Seit Anfang 2017 leitet er die unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe „Beobachtung und Simulation von kollidierenden Binärsystemen“ am AEI in Hannover.

 
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