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Gespräch mit Bruce Allen : Wir hatten großes Glück!

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Die Quelle des Gravitationssignals bei Ligo: Zwei sich umkreisende Schwarze Löcher (hier in einer Simulation) Bild: Caltech/MIT/LIGO

Die Gravitationswellen, die mit den Ligo-Detektoren erstmals nachgewiesen wurden, haben ein unerwartet starkes Signal erzeugt. Bruce Allen vom MPI für Gravitationsphysik in Hannover berichtet hier von der Entdeckung und was das transiente Signal ausgelöst hat.

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          Herr Allen, Sie sind mit ihren Kollegen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover mit der Auswertung der Daten der  amerikanischen Ligo-Detektoren befasst. Wann wurde das Signal der Gravitationswellen entdeckt?

          Die beiden Ligo-Antennen waren am 17. August 2015 angelaufen. Wir wollten vor der endgültigen Inbetriebnahme unsere Instrumente in einer einmonatigen Testphase eichen. Und vier Tage vor Ende der Tests, am 14. September, beobachteten wir das Ereignis. Ligo lief seit 35 Minuten stabil, als die Gravitationswellen eintrafen. Hätten wir da noch kalibriert, hätten wir sie verpasst. Wir hatten Glück!

          Wer hat das Signal als Erster entdeckt?

          Es war 5 Uhr morgens in Livingston und erst 3 Uhr morgens in Hanford, als das Signal eintraf. Jeder hat dort noch geschlafen. In Hannover war es aber gerade später Vormittag. Marco Drago, war der Erste, der das Signal sah. Und sein erster Gedanke war: Das ist ein Testsignal, das man absichtlich in die Detektoren eingespeist hat. Denn es sah zu perfekt aus. Er fragte seinen Kollegen Andrew Lundgren um Rat, der dann weitere Analysen vornahm. Andrew rief schließlich am Ligo-Standort in Livingston an.

          Bruce Allen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover
          Bruce Allen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover : Bild: Frank Vinken _ dwb

          Hatte man ein solches Ereignis erwartet?

          Bei Ligo hat man sich auf Gravitationswellen konzentriert, die von Neutronensternen ausgelöst werden. In meiner Gruppe in Hannover hatten wir uns vor allem mit den Signalen von Schwarzen Löchern beschäftigt. Uns schienen diese Objekte viel interessanter als die kompakten Objekte aus Kernmaterie. Wir wissen, dass Schwarze Löcher mit etwa zehn Sonnenmassen existieren und dass wir sie in Binärsystemen beobachten können, also wenn sie von einem großen massiven Stern begleitet werden. Und wir kennen supermassive Schwarze Löcher. Aber das ist das erste Mal, dass wir Schwarze Löcher mit der Masse von etwa 30 Sonnen beobachtet haben. Und wir haben ein Binärsystem aufgespürt.

          Gravitationswellen : Schwere Strahlung

          Was wissen Sie über die beiden Schwarzen Löcher?

          Die beiden Schwarzen Löcher hatten, bevor sie miteinander verschmolzen, etwa 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen. Die Summe ist also 65 Sonnenmassen. Tatsächlich hat das fusionierte Loch, aber nur eine Masse von 62 Sonnen. Die Energie von drei Sonnenmassen wurde in Form von Gravitationswellen umgewandelt gemäß der Einsteinschen Gleichung: E = m · c². Innerhalb von 0,25 Sekunden - so lang dauerte das Signal - hat das System mehr Energie ausgesandt als alle Sterne des sichtbaren Universums zusammengenommen. Was wir gesehen haben, ist erstaunlich. Das Signal ist so perfekt, man schaut auf die Rohdaten und versteht sofort, was passiert ist.

          So sah das vom Ligo-Detektor in Hanford gemessene Signal aus.
          So sah das vom Ligo-Detektor in Hanford gemessene Signal aus. : Bild: dpa

          Was haben Sie genau beobachtet?

          Die beiden Schwarzen Löcher haben sich wohl bereits Millionen, wenn nicht gar Milliarden von Jahren umkreist. Die meiste Zeit haben sie langsam rotiert. Erst als sie sich so nahe gekommen waren, dass sie sich etwa 15 Mal pro Sekunde umkreisten, haben sie für Ligo messbare Gravitationswellen mit einer Frequenz von 30 Hertz abgestrahlt. Dann rotierten sie immer schneller und die Frequenz des Signals stieg bis auf 150 Hertz an. Die Schwarzen Löcher umkreisten sich jetzt 75 Mal in der Sekunde.

          Wie viele Umläufe der beiden Schwarzen Löcher haben Sie beobachtet?

          Zwei Zyklen in unserem Signal entsprechen einem Umlauf. Wir haben acht Zyklen gesehen, macht also vier Umläufe.

          Und dann verschmolzen die beiden Massenmonster ...

          Von 150 Hertz bis 250 Hertz sahen wir noch zwei Zyklen des Signals. Die Amplitude nahm ab, und das System beruhigt sich.

          Was war passiert?

          Stellen Sie sich die beiden Schwarzen Löcher als zwei Seifenblasen vor, die zusammentreffen. Die aneinander klebenden Blasen vibrieren zunächst noch etwas, bevor sie zu einer einzigen großen Blase verschmelzen. Auch die beiden fusionierten Schwarzen Löcher haben noch vibriert, bevor ein großes Schwarzes Loch entstand.

          Ist ein Irrtum ausgeschlossen?

          Jedes Signal kann durch Rauschen verursacht werden. Wir haben aber berechnet, dass wir mindestens 200.000 Jahre hätten warten müssen, bis statistisch allein durch das Rauschen unserer Detektoren ein vergleichbares Signal entstanden wäre, wie wir es gemessen haben. Wir sind uns sehr sicher, dass wir ein echtes Signal gemessen haben. Die statistische Signifikanz beträgt 5,1 Sigma.

          Jeweils vier Kilometer lang sind die in Röhren verlaufende Laserarme des Ligo-Observatoriums in Hanford (Washington). In der Mitte sind die Bürogebäude zu erkennen.
          Jeweils vier Kilometer lang sind die in Röhren verlaufende Laserarme des Ligo-Observatoriums in Hanford (Washington). In der Mitte sind die Bürogebäude zu erkennen. : Bild: LIGO Laboratory

          In welcher Region hat sich das Schauspiel abgespielt?

          Höchstwahrscheinlich in der Südhemisphäre. Die Unsicherheit sind etwa 600 Quadratgrad. Der ganze Himmel umfasst 40.000 Quadratgrad. Genauer wissen wir es noch nicht. Der Grund ist, dass wir derzeit nur zwei geeignete Instrumente zur Verfügung haben. Geo 600 in Hannover ist mit seinen Armlängen von jeweils 600 Metern nicht empfindlich genug. Zudem war es gerade nicht in Betrieb, als die Gravitationswellen eintrafen. Und das italienische Interferometer Virgo bei Pisa ist noch nicht betriebsbereit.

          Wann wird es in Pisa losgehen?

          Virgo sollte ursprünglich diesen Monat seine Arbeit aufnehmen. Es gab dort technische Probleme, so dass sich die Inbetriebnahme auf September verzögern wird. Dann wird Virgo hoffentlich mit einer guten Performance starten. Wir würden gerne einen dritten Ligo-Detektor auf der Südhalbkugel in Indien errichten, weit entfernt von den existierenden Ligo-Antennen in Hanford und Livingston. Wir warten noch auf die Zustimmung der indischen Regierung. Mit drei Ligo-Detektoren wären wir noch empfindlicher. (Anm. d. Red. Die indische Regierung hat inzwischen die Genehmigung erteilt.)

          Japan will auch eine Gravitationswellen-Antenne bauen.

          Der Kagra-Detektor ist ein sehr ambitioniertes Instrument. Er soll in einem Berg tief unter der Erde gebaut werden, zum Schutz vor Erschütterungen. Zudem will man die Spiegel auf extrem tiefe Temperaturen kühlen, um das thermische Rauschen zu minimieren. Kagra wird um 2020 in Betrieb gehen, schätze ich. Unsere Resultate werden die Wissenschaftler von Kagra und Virgo hoffentlich motivieren.

          Und dann gibt es noch das Weltraum-Interferometer Lisa, bei dem die Amerikaner ausgestiegen sind. Wird man sie zurück ins Boot holen können?

          Mit den jüngsten Ergebnissen stehen die Chancen gut. Und wenn dazu noch das Vorbereitungsprojekt Lisa-Pathfinder, das bald seine Testmessungen beginnt, noch gut verläuft ...

          Wie geht es weiter bei Ligo?

          Die zweite Messphase lief bis Ende Januar. Wir sind noch mit der Analyse der Daten beschäftigt. Wir sind jetzt schon sicher, dass wir von weiteren Quellen für Gravitationswellen berichten können. Im September geht es dann weiter.

          Die Fragen stellten Ulf von Rauchhaupt und Manfred Lindinger.

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