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Fachveröffentlichung

1.
Alexander H. Nitz, Alex B. Nielsen, and Collin D. Capano
Potential Gravitational-wave and Gamma-ray Multi-messenger Candidate from Oct. 30, 2015

Mögliche Entdeckung einer Neutronensternverschmelzung in LIGOs erstem Beobachtungslauf

Schwache Signale von Neutronensternverschmelzungen durch geschickte Kombination von Gravitationswellen- und Gammastrahlenbeobachtungen aufspüren

26. Februar 2019

Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover haben eine neue Suche nach Verschmelzungen von Neutronensternpaaren entwickelt und implementiert. Diese ist für solche Ereignisse optimiert, die nur schwache Gravitationswellen- und Gammastrahlensignale erzeugen und daher bei Betrachtung nur einer Signalart übersehen werden können. Mit der neuen Methode erhöhen sich die Chancen, diese Ereignisse zu finden, um bis zu 70 %. Die Wissenschaftler testeten ihre Methode mit öffentlich verfügbaren Archivdaten des ersten Beobachtungslaufs (O1) von LIGO und Archivdaten aus des NASA-Weltraumteleskops Fermi. Sie identifizierten einen potenziellen Kandidaten einer Neutronensternverschmelzung, der mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 4 astrophysikalischen Ursprungs ist.

Eines der am besten untersuchten astronomischen Ereignisse aller Zeiten.

GW170817, die erste Beobachtung von Gravitationswellen einer Neutronensternverschmelzung machte aus einem relativ unscheinbaren Gammastrahlenblitz eines der am besten untersuchten astronomischen Ereignisse aller Zeiten. Es führte zu einem besseren Verständnis der Physik von Neutronensternkollisionen, der Häufigkeit dieser Ereignisse im Universum und des Ursprungs schwerer Elemente.

„Die Entdeckung von GW170817 zeigte, dass es möglich ist, Gravitationswellen zusammen mit schwachen Gammastrahlenblitzen zu finden. Unser Ziel ist es, gerade die Neutronensternverschmelzungen zu finden, die keine starken Gravitationswellen- oder Gammastrahlensignale erzeugen“, erklärt Dr. Alex Nitz, Forscher in der Abteilung Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie am AEI und Hauptautor der Publikation, die bei einer begutachteten Fachzeitschrift eingereicht wird. „Mit unserer Methode finden wir einen möglichen Kandidaten während O1, dem ersten Beobachtungslauf von Advanced LIGO. Dieser Kandidat ist mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 4 echt. Falls das der Falls ist, wäre es die am weitesten entfernte Verschmelzung von Neutronensternen, die mit Gravitations- und elektromagnetischen Wellen beobachtet wurde.“

Zeitreihenergebnisse des Fermi-GBM und der LIGO-Observatorien zum Zeitpunkt der möglichen Neutronensternverschmelzung. (a) zeigt ein Histogramm der GBM-Daten von allen 12 NaI-Detektoren mit einer zeitlichen Auflösung von 0,2 s. (b) zeigt die normierte Statistik CGBM, die wir verwenden, um das Auftreten eines Gammastrahlenblitzes zu bestimmen. (c) und (d) zeigen die Signal-Rausch-Zeitreihe für die Gravitationswellenform, die verwendet wurde, um diesen Kandidaten zu finden. Zwei Peaks im Signal-zu-Rausch-Verhältnis sind fast gleichzeitig sichtbar, gefolgt von einem kleinen Ausschlag in der normierten GBM-Statistik 3,1 Sekunden später. Bild vergrößern
Zeitreihenergebnisse des Fermi-GBM und der LIGO-Observatorien zum Zeitpunkt der möglichen Neutronensternverschmelzung. (a) zeigt ein Histogramm der GBM-Daten von allen 12 NaI-Detektoren mit einer zeitlichen Auflösung von 0,2 s. (b) zeigt die normierte Statistik CGBM, die wir verwenden, um das Auftreten eines Gammastrahlenblitzes zu bestimmen. (c) und (d) zeigen die Signal-Rausch-Zeitreihe für die Gravitationswellenform, die verwendet wurde, um diesen Kandidaten zu finden. Zwei Peaks im Signal-zu-Rausch-Verhältnis sind fast gleichzeitig sichtbar, gefolgt von einem kleinen Ausschlag in der normierten GBM-Statistik 3,1 Sekunden später. [weniger]

Mit Gravitationswellen- und Gammastrahlensignalen schwache Signale finden

Die AEI-Forscher haben bereits den ersten offenen Gravitationswellenkatalog von Verschmelzungen kompakter Objekte publiziert, aus dem sie nun schwache Kandidaten auswählten, die wie Neutronensternverschmelzungen aussahen. Ebenso identifizierten sie mögliche schwache Gammastrahlenblitze in Daten des Gamma-ray-Burst-Monitors an Bord des Weltraumteleskops Fermi.

Durch die Kombination dieser beiden Beobachtungslisten und die Forderung, dass einem Gravitationswellensignal innerhalb von 3,4 Sekunden ein Gammastrahlenblitz folgt, identifizierten die Wissenschaftler einen potenziellen Kandidaten. Seine Himmelsposition ist konsistent mit beiden Beobachtungen. Unter Berücksichtigung der geschätzten Häufigkeit dieser Ereignisse und der Beobachtungszeit in O1, in der beide LIGO-Instrumente Daten aufnahmen, bestimmten sie die Wahrscheinlichkeit, dass der Kandidat real ist zu 1 zu 4.

Möglicherweise die am weitesten entfernte mit Gravitationswellen beobachtete Neutronensternverschmelzung

Falls der Kandidat bestätigt wird, wäre das Signal die am weitesten entfernte Verschmelzung von zwei Neutronensternen, die mit Gravitations- und elektromagnetischen Wellen beobachtet wurde. Die Forscher bestimmten den Abstand zu 330 Millionen Lichtjahren bis 1 Milliarde Lichtjahren. GW170817 war etwa 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Die Veröffentlichung „Potential Gravitational-wave and Gamma-ray Multi-messenger Candidate from Oct. 30, 2015“ ist heute auf dem arXiv Preprint-Server erschienen und wird bei der begutachteten Fachzeitschrift eingereicht. Ergänzende Daten sind unter https://github.com/gwastro/o1-gwgrb verfügbar.

 
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