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Zwei schwarze Scheiben, umgeben von orangen und gelben Wirbeln (Bildnachweis: NASA)

Im Jahr 2015 gelang dem berühmten Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) der allererste greifbare Nachweis von Gravitationswellen. Die Wellen waren das Ergebnis der Kollision zweier schwarzer Löcher weit weg im Universum. Seitdem wurden eine Vielzahl solcher Signale von verschmelzenden schwarzen Löchern, Neutronensternen und sogar ein paar gemischte Verschmelzungen zwischen den beiden entdeckt.

Trotz des Erfolgs von LIGO – das sich an zwei Standorten in den USA befindet und durch den Virgo-Detektor in Italien und den japanischen Kamioka-Gravitationswellendetektor (KAGRA) unterstützt wird – konnten die Astronomen bisher nur eines dieser Gravitationswellenereignisse mit Hilfe der „traditionellen“ lichtbasierten Astronomie bestätigen. Bei diesem Ereignis handelte es sich um die Verschmelzung von zwei Neutronensternen, die das Gravitationswellensignal GW170817 erzeugte.

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Minnesota ein Software-Upgrade entwickelt, mit dessen Hilfe Astronomen bereits 30 Sekunden, nachdem Gravitationswellen auf der Erde aufgefangen wurden, auf Fusionsereignisse aufmerksam gemacht werden können. Dieses Frühwarnsystem sollte es ermöglichen, dass mehr Fusionsereignisse mit lichtbasierter Astronomie verfolgt werden können.

„Mit dieser Software können wir die Gravitationswellen von Neutronensternkollisionen aufspüren, die normalerweise zu schwach sind, um sie zu sehen, es sei denn, wir wissen genau, wo wir suchen müssen“, sagte Andrew Toivonen, Mitglied des Teams und Doktorand an der University of Minnesota Twin Cities School of Physics and Astronomy, in einer Erklärung. „Die Entdeckung der Gravitationswellen wird dazu beitragen, die Kollision zu lokalisieren und Astronomen und Astrophysiker bei der weiteren Forschung zu unterstützen.“

Was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen sind winzige Wellen im Gefüge von Raum und Zeit, die beide zu einer einzigen vierdimensionalen Einheit, der „Raumzeit“, vereint sind. Solche Wellen wurden erstmals von Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 vorhergesagt.

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass die Schwerkraft von Objekten mit Masse ausgeht, die das Gefüge der Raumzeit selbst verzerren. Je größer die Masse, desto extremer ist die Krümmung, was erklärt, warum Sterne einen größeren Gravitationseinfluss haben als Planeten. Diese Wellen sind nur wahrnehmbar, wenn wirklich massive Objekte beschleunigen – Objekte wie Neutronensterne und schwarze Löcher, die in Doppelsternsystemen umeinander kreisen und dabei Gravitationswellen aussenden. Diese kontinuierliche Emission von Gravitationswellen, so Einstein, würde den Drehimpuls wegtragen und die ultradichten Objekte dazu bringen, sich zusammenzuziehen und schließlich zu verschmelzen – eine Kollision, die einen hohen „Schrei“ von Gravitationswellen aussendet.

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Einstein war jedoch der Meinung, dass selbst Gravitationswellen von Objekten, die groß genug sind, um sie zu erzeugen, zu schwach wären, um jemals auf der Erde entdeckt zu werden.

Glücklicherweise hat er sich geirrt.

Dennoch ist das Aufspüren von Gravitationswellen immer noch kein Kunststück. Schließlich sind Neutronensterne und Schwarze Löcher Millionen (manchmal sogar Milliarden) von Lichtjahren entfernt, und Gravitationswellen verlieren auf ihrer Reise durch den Kosmos an Energie.

Damit LIGO Gravitationswellen aus diesen Ereignissen aufspüren kann, besteht dieses massive Laserinterferometer aus zwei L-förmigen Armen, die jeweils 4 km lang sind. Wenn sie in Phase sind, strahlt das Laserlicht durch jeden dieser Arme. Wenn sich die Strahlen treffen, richten sich die Spitzen und Täler ihrer Wellen aus, und das Laserlicht wird verstärkt, was als „konstruktive Interferenz“ bezeichnet wird.

Wenn jedoch eine Gravitationswelle über einen dieser Laser läuft und der Raum gequetscht und gedehnt wird, dann wird der Laser, der über diesen Abschnitt des Raums läuft, aus der Phase geworfen, d. h. die Täler treffen auf die Spitzen und umgekehrt, was zu einer „destruktiven Interferenz“ und damit zu keiner Verstärkung führt.

Die Veränderungen, die LIGO aufnimmt, um Gravitationswellen zu „hören“, sind 0,0001 mal so groß wie die Breite eines Protons, eines Teilchens, das im Herzen eines Atomkerns sitzt. Um dies in „normalen“ astronomischen Begriffen auszudrücken, entspricht dies der Messung der Entfernung zum nächstgelegenen Stern, Proxima Centauri, der etwa 4,2 Lichtjahre entfernt ist, mit einer quantitativen Genauigkeit, die der Breite eines menschlichen Haares entspricht.

Ein Blick aus der Luft auf den LIGO-Detektor in Livingston, Louisiana. (Bildnachweis: LIGO)

LIGO, Virgo und KAGRA befinden sich derzeit in ihrem vierten Betriebsdurchlauf, der am 24. Mai 2023 begann und bis Februar 2025 dauern soll. Zwischen den einzelnen Betriebsläufen haben die Wissenschaftler der LIGO/Virgo/KAGRA-Kollaboration die Software aktualisiert, die zur Erkennung der Form von Gravitationswellensignalen, zur Verfolgung der Signalentwicklung und zur Schätzung der Massen der Neutronensterne oder der schwarzen Löcher verwendet wird, die bei der Entstehung des Signals zusammenstießen. Diese Software sendet auch eine Warnung an andere Wissenschaftler aus.

Dank der Simulationen, die mit Daten aus den Beobachtungsperioden eins bis drei sowie mit künstlich erzeugten Gravitationswellensignalen erstellt wurden, weiß das Team nun, dass die Beobachtungssoftware so verbessert werden kann, dass innerhalb von 30 Sekunden nach der Entdeckung einer Gravitationswelle während der Beobachtung ein Alarm ausgelöst werden kann. Diese Upgrades werden sich auf die vierte Beobachtungsperiode auswirken.

Das sollte den Astronomen helfen, die Orte dieser Ereignisse am Himmel mit lichtbasierter Astronomie zu verfolgen – etwas, was derzeit kein Gravitationswellendetektor kann – und zu bestimmen, wie sich Kollisionen zwischen den exotischsten und geheimnisvollsten Objekten im Kosmos im Laufe der Zeit entwickeln.

Es ist unwahrscheinlich, dass dies das Ende der Upgrades für die Gravitationswellendetektoren sein wird. Am Ende des aktuellen Betriebslaufs werden die Wissenschaftler der LIGO/Virgo/KAGRA-Kollaboration die Daten nutzen, die in fast zwei Jahren des „Lauschens“ einer universellen Symphonie kollidierender schwarzer Löcher und Neutronensterne gesammelt wurden, um die Alarmgeschwindigkeit weiter zu verbessern.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) veröffentlicht.