LIGO-Projekt beginnt mit neuer Gravitationswellenjagd

Die neueste Kampagne, bekannt als O4, startete am 24. Mai.

Vor sieben Jahren berichteten Forscher des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) über die erste Entdeckung von Gravitationswellen. Mittlerweile umfasst die Liste der Gravitationswellen-Kandidaten fast 100.

Und Astronomen sind zuversichtlich, dass sie weitere dieser Wellen im Gefüge der Raumzeit finden können, die durch die Beschleunigung massiver Objekte verursacht werden – zum Beispiel zwei Schwarze Löcher, die sich spiralförmig aufeinander zubewegen und eine katastrophale Verschmelzung bewirken.

Am 24. Mai begann der Observation Run 4 (O4), die neueste Anstrengung der LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration. Mit neu verbesserten Gravitationswellendetektoren hoffen die Astronomen, dass O4 das Erkennen von Gravitationswellen – und den Objekten, die sie erzeugen – zu einem alltäglichen Ereignis machen kann.

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„Wir erwarten, dass wir das erreichen, was wir in unserem vorherigen Versuch hatten – ein Neutronenstern alle paar Monate, ein [binäres] Schwarzes Loch jede Woche oder alle 10 Tage“, sagte Salvatore Vitale, Astrophysiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT). , „dazu, alle ein bis zwei Tage ein binäres Schwarzes Loch zu bekommen, jede Woche einen Neutronenstern.“

Gravitationswellen sind ein Nebenprodukt der Allgemeinen Relativitätstheorie, wie sie Albert Einstein vor einem Jahrhundert vermutete. Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Raum und Zeit wie ein Stoff sind. Jedes Objekt hinterlässt eine Delle in diesem Gewebe, die wir als Schwerkraft wahrnehmen. In dieser Welt können Störungen – wie die Kollision zweier Schwarzer Löcher – Wellen über das Gewebe senden. Astronomen können mithilfe laserbasierter Detektoren diese Wellen erkennen.

Wie der Name von LVK vermuten lässt, handelt es sich bei der Zusammenarbeit um eine vielschichtige Anstrengung, bei der vier Detektoren auf drei Kontinenten kombiniert werden: die beiden Detektoren von LIGO, einer in Livingston, Louisiana, und einer in Hanford, Washington; Jungfrau in Europa, erstreckt sich über die toskanischen Ebenen südöstlich von Pisa, Italien; und KAGRA, unter den Bergen Zentraljapans.

Leider ist zu Beginn von O4 nur das LIGO-Paar voll funktionsfähig. Jungfrau muss sich einer Reparatur eines beschädigten Spiegels unterziehen und bleibt für eine ungewisse Zeit deaktiviert. KAGRA wird unterdessen nur einen Monat lang beobachten, bevor es wieder offline geht. Es hat seine Zielempfindlichkeit nicht erreicht und seine Betreiber hoffen, es Ende 2024 wieder in Betrieb nehmen zu können.

Astronomen wünschen sich mehr Detektoren, da ein einzelner Gravitationswellendetektor keine Details über die Ausbreitungsrichtung der Wellen liefert. Sie benötigen also mehrere Detektoren, um die Quelle der Gravitationswellen tatsächlich zu triangulieren. Mit allen vier könnten Astronomen die Quelle auf nur wenige Quadratgrad des Himmels zurückführen. Mit nur zwei Detektoren stecken sie in einem weitaus größeren Ausschnitt des Himmels fest.

„Es wird für uns schwieriger sein, unseren Freunden mit Teleskopen zu sagen, wohin sie ihr Teleskop richten sollen“, sagte Vitale.

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Aber selbst zwei Detektoren könnten eine wissenschaftliche Fülle einbringen. Mit erhöhter Empfindlichkeit können die Detektoren schwächere oder weiter entfernte Gravitationswellen erkennen. Das bedeutet, dass Wissenschaftler mehr Ereignisse erfassen können.

Und mit weiteren Ereignissen hoffen sie, eine Antwort auf eine sich abzeichnende Frage zu finden: Wo haben sich die Schwarzen Löcher gebildet, die sie sehen?

Möglicherweise haben sich im Inneren von Galaxien Schwarze Löcher gebildet; vielleicht sind sie draußen entstanden, in Kugelsternhaufen oder in Zwerggalaxien. Oder vielleicht sind sie ursprünglicher Natur und haben sich zu Beginn des Universums im rohen Weltraum gebildet.

„Um diese Frage zu beantworten, benötigen Sie einen großen Datensatz“, sagte Vitale.

Der aktuelle Zeitplan von LVK sieht vor, dass O4 18 Monate lang bis 2025 läuft. Danach werden die Gravitationswellendetektoren wegen Upgrades und technischer Arbeiten abgeschaltet – und etwa 2027 für einen fünften, längeren Beobachtungslauf wieder in Betrieb genommen.

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Rahul Rao ist Absolvent des SHERP der New York University und freiberuflicher Wissenschaftsjournalist, der regelmäßig über Physik, Weltraum und Infrastruktur berichtet. Seine Arbeiten sind in Gizmodo, Popular Science, Inverse, IEEE Spectrum und Continuum erschienen. Er fährt gerne zum Spaß mit dem Zug und hat jede noch vorhandene Episode von Doctor Who gesehen. Er hat einen Master-Abschluss in wissenschaftlichem Schreiben vom Science, Health and Environmental Reporting Program (SHERP) der New York University und einen Bachelor-Abschluss von der Vanderbilt University, wo er Englisch und Physik studierte.

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