Der Gravitationswellendetektor LIGO ist nach dreijähriger Aktualisierung wieder online

Professor für Physik, Penn State

Chad Hanna erhält Fördermittel von der National Science Foundation und der NASA.

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Nach einer dreijährigen Pause haben Wissenschaftler in den USA gerade Detektoren in Betrieb genommen, die Gravitationswellen messen können – winzige Wellen im Weltraum selbst, die sich durch das Universum bewegen.

Im Gegensatz zu Lichtwellen werden Gravitationswellen von den Galaxien, Sternen, Gasen und Staub, die das Universum füllen, nahezu ungehindert. Das bedeutet, dass Astrophysiker wie ich durch die Messung von Gravitationswellen direkt in das Herz einiger dieser spektakulärsten Phänomene im Universum blicken können.

Seit 2020 ruht das Laser Interferometrische Gravitationswellen-Observatorium – allgemein bekannt als LIGO – während es einige aufregende Modernisierungen durchläuft. Diese Verbesserungen werden die Empfindlichkeit von LIGO erheblich steigern und es der Anlage ermöglichen, weiter entfernte Objekte zu beobachten, die kleinere Wellen in der Raumzeit erzeugen.

Durch die Entdeckung weiterer Ereignisse, die Gravitationswellen erzeugen, wird es für Astronomen mehr Möglichkeiten geben, auch das von denselben Ereignissen erzeugte Licht zu beobachten. Die Beobachtung eines Ereignisses über mehrere Informationskanäle, ein Ansatz namens Multi-Messenger-Astronomie, bietet Astronomen seltene und begehrte Möglichkeiten, etwas über die Physik zu lernen, die weit über den Bereich von Labortests hinausgeht.

Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verzerren Masse und Energie die Form von Raum und Zeit. Die Krümmung der Raumzeit bestimmt, wie sich Objekte im Verhältnis zueinander bewegen – was Menschen als Schwerkraft empfinden.

Gravitationswellen entstehen, wenn massive Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne miteinander verschmelzen und plötzliche, große Veränderungen im Raum hervorrufen. Der Prozess der Raumkrümmung und -biegung sendet Wellen durch das Universum wie eine Welle über einen stillen Teich. Diese Wellen breiten sich aus einer Störung in alle Richtungen aus, verbiegen dabei den Raum geringfügig und verändern den Abstand zwischen Objekten auf ihrem Weg ganz geringfügig.

Auch wenn an den astronomischen Ereignissen, die Gravitationswellen erzeugen, einige der massereichsten Objekte im Universum beteiligt sind, ist die Ausdehnung und Kontraktion des Raums verschwindend gering. Eine starke Gravitationswelle, die die Milchstraße durchquert, verändert möglicherweise den Durchmesser der gesamten Galaxie nur um drei Fuß (einen Meter).

Obwohl Einstein erstmals 1916 vorhersagte, hatten Wissenschaftler dieser Zeit wenig Hoffnung, die winzigen Abstandsänderungen zu messen, die in der Theorie der Gravitationswellen postuliert wurden.

Um das Jahr 2000 stellten Wissenschaftler des Caltech, des Massachusetts Institute of Technology und anderer Universitäten auf der ganzen Welt den Bau des im Wesentlichen präzisesten Lineals aller Zeiten fertig – das LIGO-Observatorium.

LIGO besteht aus zwei separaten Observatorien, eines in Hanford, Washington, und das andere in Livingston, Louisiana. Jedes Observatorium hat die Form eines riesigen L mit zwei 2,5 Meilen langen (vier Kilometer langen) Armen, die im 90-Grad-Winkel zueinander von der Mitte der Anlage ausgehen.

Um Gravitationswellen zu messen, richten Forscher einen Laser von der Mitte der Anlage auf die Basis des L. Dort wird der Laser geteilt, sodass ein Strahl an jedem Arm entlang läuft, von einem Spiegel reflektiert wird und zur Basis zurückkehrt. Wenn eine Gravitationswelle durch die Arme geht, während der Laser scheint, kehren die beiden Strahlen zu geringfügig unterschiedlichen Zeiten in die Mitte zurück. Durch die Messung dieses Unterschieds können Physiker erkennen, dass eine Gravitationswelle durch die Anlage geflossen ist.

LIGO wurde Anfang der 2000er Jahre in Betrieb genommen, war jedoch nicht empfindlich genug, um Gravitationswellen zu erkennen. Deshalb hat das LIGO-Team die Anlage im Jahr 2010 vorübergehend geschlossen, um Upgrades zur Steigerung der Empfindlichkeit durchzuführen. Die aktualisierte Version von LIGO begann 2015 mit der Datenerfassung und entdeckte fast sofort Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstanden.

Seit 2015 hat LIGO drei Beobachtungsläufe durchgeführt. Der erste Lauf O1 dauerte etwa vier Monate; der zweite, O2, etwa neun Monate; und das dritte, O3, lief 11 Monate lang, bevor die COVID-19-Pandemie die Schließung der Einrichtungen erzwang. Beginnend mit dem Lauf O2 führt LIGO gemeinsam mit einem italienischen Observatorium namens Virgo Beobachtungen durch.

Zwischen jedem Lauf verbesserten die Wissenschaftler die physikalischen Komponenten der Detektoren und Datenanalysemethoden. Bis zum Ende des O3-Laufs im März 2020 hatten Forscher der LIGO- und Virgo-Kollaboration etwa 90 Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen entdeckt.

Die Observatorien haben ihre maximale Design-Sensibilität noch nicht erreicht. Daher wurden beide Observatorien im Jahr 2020 wegen Modernisierungsarbeiten erneut geschlossen.

Wissenschaftler haben an vielen technologischen Verbesserungen gearbeitet.

Eine besonders vielversprechende Verbesserung bestand darin, einen optischen Hohlraum von 1.000 Fuß (300 Meter) hinzuzufügen, um eine Technik namens Quetschen zu verbessern. Durch Quetschen können Wissenschaftler das Detektorrauschen mithilfe der Quanteneigenschaften von Licht reduzieren. Mit diesem Upgrade sollte das LIGO-Team in der Lage sein, deutlich schwächere Gravitationswellen als zuvor zu erkennen.

Meine Teamkollegen und ich sind Datenwissenschaftler in der LIGO-Kollaboration und haben an einer Reihe verschiedener Upgrades der Software zur Verarbeitung von LIGO-Daten und der Algorithmen gearbeitet, die Anzeichen von Gravitationswellen in diesen Daten erkennen. Diese Algorithmen suchen nach Mustern, die mit theoretischen Modellen von Millionen möglicher Verschmelzungsereignisse von Schwarzen Löchern und Neutronensternen übereinstimmen. Der verbesserte Algorithmus sollte in der Lage sein, die schwachen Anzeichen von Gravitationswellen leichter aus dem Hintergrundrauschen in den Daten zu erkennen als die vorherigen Versionen der Algorithmen.

Anfang Mai 2023 startete LIGO einen kurzen Testlauf – einen sogenannten Engineering-Lauf –, um sicherzustellen, dass alles funktionierte. Am 18. Mai entdeckte LIGO Gravitationswellen, die wahrscheinlich von einem Neutronenstern erzeugt wurden, der mit einem Schwarzen Loch verschmolz.

Der 20-monatige Beobachtungslauf 04 von LIGO beginnt offiziell am 24. Mai und wird später von Virgo und einem neuen japanischen Observatorium begleitet – dem Kamioka-Gravitationswellendetektor (KAGRA).

Obwohl es für diesen Lauf viele wissenschaftliche Ziele gibt, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Erkennung und Lokalisierung von Gravitationswellen in Echtzeit. Wenn das Team ein Gravitationswellenereignis identifizieren, herausfinden kann, woher die Wellen kommen, und andere Astronomen schnell auf diese Entdeckungen aufmerksam machen kann, könnten Astronomen andere Teleskope, die sichtbares Licht, Radiowellen oder andere Arten von Daten sammeln, auf die Quelle des Ereignisses ausrichten die Gravitationswelle. Das Sammeln mehrerer Informationskanäle zu einem einzigen Ereignis – Multi-Messenger-Astrophysik – ist wie das Hinzufügen von Farbe und Ton zu einem Schwarz-Weiß-Stummfilm und kann zu einem viel tieferen Verständnis astrophysikalischer Phänomene führen.

Bisher haben Astronomen nur ein einziges Ereignis sowohl bei Gravitationswellen als auch im sichtbaren Licht beobachtet – die Verschmelzung zweier Neutronensterne im Jahr 2017. Doch anhand dieses einzigen Ereignisses konnten Physiker die Expansion des Universums untersuchen und den Ursprung einiger davon bestätigen die energiereichsten Ereignisse im Universum, die als Gammastrahlenausbrüche bekannt sind.

Mit Run O4 erhalten Astronomen Zugang zu den empfindlichsten Gravitationswellenobservatorien der Geschichte und werden hoffentlich mehr Daten sammeln als je zuvor. Meine Kollegen und ich hoffen, dass die kommenden Monate zu einer – oder vielleicht mehreren – Multi-Messenger-Beobachtungen führen werden, die die Grenzen der modernen Astrophysik verschieben werden.