Ein großer Schritt zum ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen

Forscher des Albert-Einstein-Instituts leisten entscheidende Beiträge zu den advanced LIGO-Gravitationswellen-Detektoren

18. Mai 2015

Am 19. Mai weiht die LIGO Scientific Collaboration (LSC) die neue Generation der Gravitationswellen-Observatorien (aLIGO) ein, zu denen Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Potsdam entscheidende Beiträge geleistet haben: Sie steuerten die für die Präzisionsmessung erforderlichen maßgeschneiderten Hochleistungslaser, effiziente Datenanalyse-Methoden und ihre Implementierung auf leistungsfähigen Computerclustern sowie genaue Modelle der Signalwellenformen zur Gravitationswellen-Detektion und Messung astrophysikalischer Eigenschaften bei. Das AEI ist damit ein führender Partner in der internationalen Forschergemeinschaft auf dem Weg zum ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen. Die feierliche Inbetriebnahme der zweiten Detektorgeneration findet am Standort Hanford im Bundesstaat Washington (USA) statt.

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen wird ein neues Fenster zur sonst unsichtbaren „dunklen“ Seite des Universums öffnen und den Beginn der Gravitationswellen-Astronomie markieren. Gravitationswellen sind Kräuselungen der Raumzeit, die bei kosmischen Katastrophen ausgesendet werden – beispielsweise von explodierenden Sternen, verschmelzenden schwarzen Löchern oder Neutronensternen und schnell rotierenden, kompakten Sternresten. Albert Einstein sagte die Existenz dieser Wellen bereits im Jahr 1916 vorher, doch sie wurden bislang noch nie direkt beobachtet. Die aLIGO-Instrumente sollten bei Erreichen der Design-Empfindlichkeit jährlich mehrere Gravitationswellen-Ereignisse nachweisen.

GEO600 trägt fortschrittliche Detektortechnik bei

Wissenschaftler des AEI entwickelten und installierten gemeinsam mit dem Laser Zentrum Hannover die Hochleistungslaser, die im deutsch-britischen GEO600-Detektor in der Nähe von Hannover getestet wurden. Jetzt werden sie in beiden aLIGO-Detektoren eingesetzt und bilden das Herz der hochpräzisen Messtechnologie. „Mit unseren britischen Kollegen entwickelten und betreiben wir den Gravitationswellen-Detektor GEO600. Wir nutzen ihn als Ideenschmiede und Prüfstand für fortschrittliche Detektortechnik”, sagt AEI-Direktor Prof. Karsten Danzmann, der auch Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover ist. „Viele dieser neuartigen Methoden werden nun in den aLIGO-Detektoren eingesetzt, beispielsweise Signalüberhöhung und monolithische Spiegelaufhängungen.“ Die Abteilung von Danzmann am AEI spielt eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung und Anwendung von nicht-klassischem Licht in Gravitationswellen-Detektoren. GEO600 ist der weltweit einzige Detektor, der sogenanntes gequetschtes Licht einsetzt, um die Empfindlichkeit über die durch die Quantennatur des Lichts gesetzten Grenzen hinaus zu steigern.

Führende Partner in der Datenanalyse mit leistungsfähigen Supercomputern

Forscher am AEI entwickeln und implementieren fortschrittliche und effiziente Methoden der Datenanalyse für die Suche nach schwachen Gravitationswellen-Signalen in den aLIGO-Daten. „Das AEI ist ein führender Partner bei der weltweiten gemeinsamen Datenanalyse der LSC“, sagt Prof. Bruce Allen, Direktor am AEI. „Für diesen Zweck betreiben wir Atlas, den leistungsfähigsten speziell für die Gravitationswellen-Datenanalyse gebauten Computercluster der Welt.“ Während der ersten wissenschaftlichen Messkampagne Ende 2015 wird Allens Abteilung die Messdaten mit Atlas durchsuchen. Zusammen mit US-amerikanischen Partnern betreibt die Abteilung auch Einstein@Home, ein globales, verteiltes Rechenprojekt zur Gravitationswellen-Datenanalyse. Rund 400.000 Freiwillige aus aller Welt haben in der vergangenen Dekade Rechenzeit auf ihren Heimcomputern, Laptops und Smartphones für das Projekt zur Verfügung gestellt.

Entwicklung genauer Wellenform-Modelle und Gewinnung einzigartiger Informationen aus den beobachteten Signalen

Mit aufwändigen anaytischen Näherungen der allgemeinen Relativitätstheorie entwickeln AEI-Wissenschaftler genaue Wellenform-Modelle für die vielversprechendesten Quellen von Gravitationswellen. „Wir haben die bislang genauesten Modelle für Signalwellenformen für verschmelzende schwarze Löcher entwickelt. Zusammen mit unseren LSC-Kollegen werden wir auf dem Atlas-Computercluster eine Suche nach diesen Signalen in den aLIGO-Daten durchführen. Die Gravitationswellen dieser Systeme zu beobachten wird uns komplett neue Erkenntnisse über diese anderweitig unsichtbaren Objekte liefern“, sagt Prof. Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI in Potsdam. „Die neue Suche ist die erste, die alle Phasen vor, nach und während des Verschmelzungsprozesses und den Einfluss der Eigendrehungen der schwarzen Löcher berücksichtigt. Dies wird die Suchempfindlichkeit erhöhen und so unsere Chance auf einen Nachweis erhöhen.“ AEI-Wissenschaftler haben zusammen mit LSC-Kollegen auch einen zweiten Analyse-Schritt für die erste wissenschaftliche Messkampagne vorbereitet, der astrophysikalische Eigenschaften der verschmelzenden schwarzen Löcher bestimmen wird.

Nächster Schritt: erste Messkampagne

aLIGO wird die erste wissenschaftliche Messkampagne „O1“ (observation run 1) im Herbst 2015 beginnen. Damit rückt das Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie einen großen Schritt näher – mit entscheidenden Beiträgen aus dem Albert-Einstein-Institut.

Hintergrundinformationen

Das Albert-Einstein-Institut ist ein Institut der Max-Planck-Gesellschaft mit Teilinstituten in Potsdam-Golm und Hannover. Seit seiner Gründung im Jahr 1995 hat sich das Max-Plack-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) 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 arbeiten daran, den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen Realität werden zu lassen.

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“ wird ein neues Zeitalter der Astronomie einläuten. Die Kooperation umfasst interferometrische Gravitationswellen-Detektoren wie aLIGO (in den USA), GEO600 (in Deutschland) und Virgo (in Italien) sowie die geplanten Detektoren in Japan und Indien.

Beim Verschmelzen von schwarzen Löchern werden starke Gravitationswellen abgestrahlt. Der Graph zeigt einen Vergleich zwischen Signalwellenformen von verschmelzenden schwarzen Löchern berechnet mit zwei verschiedenen Methoden (oben); die untere Hälfte zeigt die letzten Umrundungen und die Verschmelzung.

Advanced LIGO (aLIGO) besteht aus interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren an zwei Standorten, einer in Hanford (Washington State, USA) und einer in Livingston (Louisiana, USA). Obwohl sie derzeit noch nicht im wissenschaftlichen Messbetrieb sind, ist ihre Empfindlichkeit bereits jetzt höher als je zuvor. aLIGOs erste abgestimmte Messkampagne wird im Herbst 2015 beginnen. Die Design-Empfindlichkeit sollte zehnmal höher liegen als die des Vorläufers initial LIGO. Dies sollte den Nachweis von mehreren Gravitationswellensignalen pro Jahr ermöglichen.

GEO600 ist ein interferometrischer Gravitationswellen-Detektor bei 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. Die Finanzierung tragen das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das Land Niedersachsen, die Max-Planck-Gesellschaft, der Science and Technology Facilities Council und die VolkswagenStiftung. 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.

Panorama des Gravitationswellendetektors GEO600 südlich von Hannover.

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 am AEI in Hannover ist der weltweit leistungsfähigste zur Gravitationswellen-Datenanalyse gebaute Computercluster.

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