Der Sound kollidierender Schwarzer Löcher – und wie man ihn aus dem Lärm des Universums herausfiltern kann

Expertentreffen am AEI vom 6. bis 9. Juli 2009.

Hintergrundinformationen

In den vergangenen Jahren wurden im Bereich der Numerischen Relativitätstheorie sowie der Datenanalyse wegweisende Fortschritte erzielt. Einerseits wurde die Vorhersage von Gravitationswellensignalen aus unterschiedlichen Quellen immer genauer, andererseits wurde die Analyse der immensen Datenmengen, die Gravitationswellenobservatorien hervorbringen, immer schneller und zuverlässiger. Jetzt ist es an der Zeit, die Informationen und Methoden beider Forschungsgebiete miteinander zu verknüpfen. Die AEI-Wissenschaftler gehören zu den weltweit führenden Forschungsgruppen auf beiden Gebieten:

Numerische Relativitätstheorie am AEI

Den Wissenschaftlern des Bereiches Numerische Relativitätstheorie unter der Leitung von Prof. Luciano Rezzolla gelang es beispielsweise,

• die so genannten Blitzsignale, das sind Signale kollabierender Neutronensterne, erstmals vollständig zu berechnen und damit ein seit mehr als 40 Jahren diskutiertes Problem zu lösen – ein Meilenstein für den direkten Nachweis von Gravitationswellen.
• die Kollision zweier Neutronensterne erstmals vollständig relativistisch zu simulieren. Sie fanden Antworten auf Fragen wie: Was passiert genau bei diesem Prozess, der am Ende ein Schwarzes Loch entstehen lässt? Wie viel Energie wird frei gesetzt? Entstehen auf diese Art und Weise die rätselhaften Gammastrahlen-Ausbrüche? 

Datenanalyse am AEI

Am AEI sind zwei Forschungsgruppen mit unterschiedlichen Aspekten der Datenanalyse beschäftigt: 

• In der Gravitational Wave Analysis group (von Dr. Maria Alessandra Papa geleitet) geht es darum, die von den Gravitationswellendetektoren gelieferten Daten zu untersuchen und zu bewerten – unter anderem mit Hilfe des leistungsstarken Computerclusters Morgane. Insbesondere werden hier maßgeschneiderte Methoden für die Analyse der Daten entwickelt. Im Arbeitsbereich von Dr. Badri Krishnan wird daran gearbeitet, die Quellen von Gravitationswellen besser zu verstehen. Darüber hinaus beschäftigen sich die Wissenschaftler mit einer ganz zentralen astrophysikalischen Frage: Welche neuen Erkenntnisse wird die Beobachtung von Gravitationswellen mit sich bringen?
• Die Wissenschaftler der Abteilung Experimentelle Relativität und Kosmologie am AEI-Standort in Hannover betreiben unter der Leitung von Prof. Bruce Allen den weltweit schnellsten und größten Computercluster, der hauptsächlich Daten von Gravitationswellendetektoren analysiert: ATLAS. Hier laufen alle Daten der derzeit in den USA (LIGO) und Europa (GEO600 und Virgo) messenden Observatorien zusammen. Mit ATLAS wird man voraussichtlich die erste direkte Messung von Gravitationswellen bestätigen können.

Die äußerst schwachen Gravitationswellensignale aus der Datenflut herauszufiltern, ist eine Aufgabe, an der Wissenschaftler aus aller Welt gemeinsam arbeiten. Sie haben sich zur „LIGO-Virgo Scientific Cooperation“ (LSC-V) zusammengeschlossen und einen vollständigen Austausch der aufgenommenen Daten vereinbart. Darüber hinaus werden alle wissenschaftlichen Ergebnisse gemeinsam veröffentlicht. Geleitet wird das LSC-V Konsortium von Dr. Maria Alessandra Papa vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Die Zuverlässigkeit und Schnelligkeit der Datenanalyse wird im Rahmen so genannter „Mock data challenges“ oder auch Probeauswertungen getestet. Dabei werden simulierte Gravitationswellensignale in die Detektordaten eingeschleust. Bisher wurden diese künstlichen Signale zuverlässig gefunden.

Der ATLAS-Cluster ist die weltweit größte Ressource zur Analyse von Gravitationswellen. Er vereinigt etwa 1700 einzelne Rechner. Er ist unter der Federführung von Prof. Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, entstanden.