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Accurate Waveforms for Extreme/Intermediate-mass-ratio-inspirals (AWE)

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Forschung zu Gravitationswellen binärer Schwarzer Löcher

Es war kein Zufall, dass der Nobelpreis für Physik in diesem Jahr an Wissenschaftler ging, die bahnbrechende Forschungen zur Astronomie von Gravitationswellen betrieben. Das neue Forschungsfeld kann tatsächlich alle Objekte im Weltraum beschreiben, ohne dass diese elektromagnetische Strahlung aussenden müssen – was mit konventioneller Astronomie bislang nicht möglich war. Kompakte binäre Schwarze Löcher gehören dazu und lassen sich nun dank der Arbeit des Projekts AWE besser erforschen.

Weltraum

Bereits Albert Einstein hatte beschrieben, dass Gravitationswellen, ausgelöst durch Bewegung von Materie, regelmäßig über die Erde streichen und damit den Raum herum dehnen und quetschen. Detektieren kann sie die Forschung hingegen erst seit kurzem. Das letzte und vierte Mal in der Geschichte wurden Gravitationswellen aus kollidierenden Schwarzen Löchern am 28. September 2017 nachgewiesen. "Jede Neuentdeckung lehrt uns neue und manchmal überraschende Dinge über das Universum", sagt Niels Warburton, Stipendiat am University College Dublin (UCD), der zu diesem neuen Forschungsfeld zwei Jahre am Massachusetts Institute of Technology (MIT) forschte. Mit seinem AWE-Projekt (Accurate Waveforms for Extreme/Intermediate-Mass-Ratio-Inspirals) wollte Warburton den Einsatz der Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA) der Europäischen Weltraumorganisation vorbereiten. Im Gegensatz zu Detektoren auf der Erde, bei denen niedrigfrequente Signale durch seismisches Rauschen überdeckt werden, kann dieser Detektor Wellen aus Systemen mit kleinem Masseverhältnis messen. "U.a. stammen diese Wellen aus so genannten EMRIs (extreme mass ratio inspirals). Dabei bewegt sich ein kompakter Massestern (ein Stern mit sehr hoher Dichte oder Schwarzes Loch) um ein Schwarzes Loch mit 1 Million Sonnenmassen herum. Diese Systeme emittieren über Monate oder Jahre hinweg Gravitationswellen. Die Extraktion solcher Signale aus dem verrauschten Datenstrom ist aber nur mit sehr genauen Modellen der ankommenden Wellen möglich. Das Projekt AWE entwickelte die benötigten Modelle in Vorbereitung auf die LISA-Mission", erklärt Adrian Ottewill, Projektleiter und Professor für mathematische Physik an der UCD. Hierfür entwickelte Warburton die Störungstheorie zu Schwarzen Löchern weiter. "Ich führte mein eigenes Fachwissen mit dem meiner beiden Gastgeber und Mitarbeiter zusammen und konnte so im Rahmen meiner Forschung sieben Beiträge veröffentlichen und weitere für die Veröffentlichung vorbereiten", sagt er. Von diesen sieben Publikationen beschreiben fünf Beiträge Modelle von Gravitationswellen, die von Objekten mit extremem Masseverhältnis stammen, wie im Projektvorschlag dargelegt. Die anderen beiden Arbeiten waren zunächst nicht geplant, aber trotzdem hochrelevant: "Kurz nach meinem Start am MIT besuchte mich im Büro ein Kollege, den ich während meiner Promotion einige Male auf Konferenzen getroffen hatte. Schnell war klar, dass sich unsere Kompetenzen hervorragend ergänzten, und so machten wir zügige Fortschritte bei der Messung von Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung eines kompakten Objekts zu einem schnell rotierenden Schwarzen Loch abgegeben werden", erinnert sich Warburton. Für Schwarze Löcher existiert eine Maximalgeschwindigkeit, mit der sie sich drehen können. Ist diese erreicht oder fast erreicht, kommt es zu merkwürdigen physikalischen Phänomenen. Mit ihrer Arbeit haben Warburton und seine Kollegen eine sehr charakteristische Signatur dieser Gravitationswellen aufgezeigt – wie ein "Lied", dessen Klang sofort auf die Existenz eines solchen ungewöhnlich schnell rotierenden Schwarzen Lochs hindeuten würde. Ihr zweiter Forschungsbericht "Inspiral into Gargantua" zu diesem Thema ist an Christopher Nolans Film "Interstellar" angelehnt und weckte über Medien wie Space.com und Science News großes Interesse. Warburton geht davon aus, dass nun grundlegende physikalische Parameter geklärt sind, um EMRI-Modelle zu entwickeln und hofft, dass seine Arbeit deren Erforschung und Messung vereinfachen können. Bis dahin will er weitere Modelle von Gravitationswellen mit einem Forschungsstipendium der Royal Society - Science Foundation in Irland entwickeln. Er ist zudem leitender Entwickler einer Open-Source-Software, um das Fachwissen inner- und außerhalb seines Forschungsbereichs weiterzugeben. "Wenn die Programmierung weniger Zeit in Anspruch nimmt, können wir uns intensiver der Physik widmen", sagt er.

Schlüsselbegriffe

AWE, Gravitationswelle, Strahlung, Schwarzes Loch, LISA, MIT, Detektor, EMRI, Interstellar

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