Beobachtung und Simulation von kollidierenden Binärsystemen

Beobachtung und Simulation von kollidierenden Binärsystemen

Das Ziel dieser unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe ist es, Beobachtungen von Gravitationswellen mittels unseres ausgeklügeltsten theoretischen Werkzeugs – aufwändiger numerischer Simulationen von kollidierenden Schwarzen Löchern bzw. Neutronensternen – zu entschlüsseln.

Beim ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen durch das Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) am 14. September 2015 konnten wir die Signale verstehen, weil theoretische Vorhersagen uns verrieten wonach wir suchen mussten. Diese theoretischen Vorhersagen stammen von Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen, die bestimmen wie Schwarze Löcher die Raumzeit krümmen und daher Gravitationswellen erzeugen, die sich mit extrem empfindlichen Instrumenten wie LIGO beobachten lassen. Diese Gleichungen sind allerdings so kompliziert, dass sich der heftigste (und vielleicht interessanteste) Teil der Kollision nur mit Hilfe aufwändiger Simulationen auf Großrechnern verstehen lässt.

Der 14. September 2015 war natürlich nur der Anfang. Seitdem hat LIGO mehrere verschmelzende Doppelsysteme Schwarzer Löcher beobachtet und weitere Signale werden erwartet. Diese bieten uns Einblicke in extreme Umgebungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und bestätigen uns die Existenz Schwarzer Löcher mit mehreren zehn Sonnenmassen. Wenn zwei solcher Schwerkraftgiganten einander mit relativistischen Geschwindigkeiten umrunden, können wir überprüfen ob die Gesetze der Physik weiterhin Einsteins Beschreibung folgen. Um jedes Quäntchen wissenschaftlicher Information aus den schwachen Gravitationswellen-Signalen zu extrahieren, werden immer aufwändigere numerische Simulationen von einer Handvoll Arbeitsgruppen rund um die Welt durchgeführt – diese unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe ist eine von ihnen. Unser Ziel ist es, analytische Modelle zu entwickeln, die unser Verständnis von der Dynamik verschmelzender Schwarzer Löcher vertiefen und die es uns erlauben, faszinierende Phänomene wie präzedierende Doppelsysteme oder „Kicks“ Schwarzer Löcher zu beobachten.

Schwarze Löcher sind darüber hinaus nicht die einzigen kompakten Objekte, die mittels Gravitationswellen beobachten werden können. Signale verschmelzender Neutronensterne gehören ebenfalls dazu. Diese Forschungsgruppe nutzt numerische Simulationen, um das Verhalten von Materie bei den extremen Dichten in Neutronensternen zu verstehen. Die Kombination von Simulationen mit Beobachtungen von Gravitationswellen kollidierender Neutronensterne ermöglicht neuartige Einblicke in diese vielfältigen und faszinierenden Objekte.

Numerische Simulationen vom „Holodeck“

Dieser Film zeigt die letzten Momente der Umrundung und der Verschmelzung von zwei Neutronensternen.

Verschmelzender Doppelneutronenstern

Dieser Film zeigt die letzten Momente der Umrundung und der Verschmelzung von zwei Neutronensternen.
Dieser Film zeigt die letzten Momente der Umrundung und der Verschmelzung von zwei Neutronensternen.

Verschmelzender Doppelneutronenstern

Dieser Film zeigt die letzten Momente der Umrundung und der Verschmelzung von zwei Neutronensternen.

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