Die Geheimnisse des Universums erforschen: Gravitationswellen-Detektoren starten ihren nächsten Beobachtungslauf

Heute beginnt die LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration einen neuen Beobachtungslauf mit verbesserten Instrumenten, neuen und noch genaueren Signalmodellen und fortschrittlicheren Datenanalysemethoden. Die LVK-Kollaboration besteht aus Forschenden aus der ganzen Welt, die ein Netzwerk von Observatorien – LIGO in den USA, Virgo in Europa und KAGRA in Japan – nutzen, um nach Gravitationswellen (oder: Wellen in der Raumzeit) zu suchen, die durch kollidierende Schwarze Löcher und andere extreme kosmische Ereignisse erzeugt werden.

Dieser O4 genannte Beobachtungslauf soll die Gravitationswellen-Astronomie auf die nächste Stufe heben. O4 wird am 24. Mai beginnen und 20 Monate dauern, einschließlich einer bis zu zweimonatigen Pause für Wartungsarbeiten. Es wird die bisher empfindlichste Suche nach Gravitationswellen sein. LIGO wird seinen Betrieb am 24. Mai wieder aufnehmen, während Virgo im Laufe des Jahres hinzukommen wird. KAGRA wird ab dem 24. Mai einen Monat lang teilnehmen und dann nach einigen Nachrüstungen im Laufe des Jahres wieder in Betrieb gehen.

„Dank der Arbeit von weltweit mehr als tausend Menschen während der letzten Jahre werden wir den bisher tiefsten Einblick in das Gravitationswellen-Universum erhalten“, sagt Jess McIver, stellvertretende Sprecherin der LIGO Scientific Collaboration (LSC). „Eine größere Reichweite bedeutet, dass wir mehr über Schwarze Löcher und Neutronensterne erfahren werden und erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, etwas Neues zu finden. Wir sind sehr gespannt darauf, was es da draußen zu sehen gibt.“

Der Virgo-Detektor wird seine Empfindlichkeit weiter steigern, bevor er später im Jahr an O4 teilnimmt. „In den letzten Monaten haben wir verschiedene Rauschquellen identifiziert und gute Fortschritte bei der Empfindlichkeit gemacht, aber die Zielempfindlichkeit ist noch nicht erreicht“, erklärt der kürzlich gewählte Virgo-Sprecher Gianluca Gemme. „Wir sind davon überzeugt, dass die größtmögliche Empfindlichkeit des Detektors das beste Mittel ist, um dessen Entdeckungspotenzial zu maximieren.“

KAGRA läuft jetzt mit der für den Beginn von O4 geplanten Empfindlichkeit. Jun’ichi Yokoyama, Vorsitzender des wissenschaftlichen Kongresses von KAGRA, sagt: „KAGRA ist der weltweit erste Detektor der 2,5. Generation, der 20 Jahre nach LIGO in Betrieb genommen wurde. Wir werden einen Monat lang an O4 teilnehmen und dann die Inbetriebnahmephase fortsetzen, um die Empfindlichkeit bis zu unserer ersten Entdeckung weiter zu verbessern“.

Mit der erhöhten Empfindlichkeit der Detektoren wird O4 einen größeren Teil des Universums beobachten als frühere Beobachtungsläufe. Die LIGO-Detektoren werden zu Beginn von O4 etwa 30 % empfindlicher sein als zuvor. Diese erhöhte Empfindlichkeit wird zu einer höheren Rate an beobachteten Gravitationswellensignalen führen, so dass alle 2 bis 3 Tage eine Verschmelzung entdeckt werden dürfte. Außerdem wird die verbesserte Empfindlichkeit dazu führen, dass mehr physikalische Informationen (einschließlich einzigartiger astrophysikalischer und kosmologischer Informationen) aus den Daten extrahiert werden können. Diese verbesserte Signalerfassung wird es den Wissenschaftler:innen ermöglichen, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu überprüfen und die tatsächliche Verteilung toter Sterne im lokalen Universum zu bestimmen.

Die ersten Gravitationswellensignale wurden im Jahr 2015 entdeckt. Zwei Jahre später entdeckten LIGO und Virgo eine Verschmelzung zweier Neutronensterne, die eine als Kilonova bezeichnete Explosion verursachte, welche anschließend von Dutzenden von Teleskopen auf der ganzen Welt beobachtet wurde. Bisher hat das globale Netzwerk mehr als 80 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern, zwei wahrscheinliche Verschmelzungen von Neutronensternen und einige Ereignisse entdeckt, bei denen es sich höchstwahrscheinlich um die Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit Neutronensternen handelt. Während O4 erwarten die Forschenden, noch mehr energiereiche kosmische Ereignisse zu beobachten und neue Erkenntnisse über die Beschaffenheit des Universums zu gewinnen.

Wie bereits bei früheren Beobachtungsläufen werden auch während O4 Hinweise auf Signalkandidaten zeitnah veröffentlicht. Informationen darüber, wie man diese „public alerts“ genannten Meldungen erhalten und interpretieren kann finden Sie unter https://wiki.gw-astronomy.org/OpenLVEM.

Gravitationswellen-Observatorien

LIGO wird von der NSF finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die das Projekt konzipiert und aufgebaut haben. Die finanzielle Unterstützung für das „Advanced LIGO“-Projekt wurde von der NSF geleitet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), das Vereinigte Königreich (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council) bedeutende Verpflichtungen übernahmen und beträchtliche Beiträge zu dem Projekt leisteten. Mehr als 1500 Forschende aus aller Welt sind über die LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO-Kollaboration gehört, an dem Projekt beteiligt. Weitere Partner sind unter https://ligo.org/partners.php aufgeführt.

Die Virgo-Kollaboration besteht derzeit aus etwa 850 Mitgliedern aus 143 Institutionen in 15 verschiedenen (hauptsächlich europäischen) Ländern. Das European Gravitational Observatory (EGO) beherbergt den Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa in Italien und wird vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien und dem National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) in den Niederlanden finanziert. Eine Liste der Gruppen der Virgo-Kollaboration finden Sie unter https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/ . Weiterführende Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter https://www.virgo-gw.eu.

KAGRA ist ein Laserinterferometer mit einer Armlänge von 3 km in Kamioka, Gifu, Japan. Gastinstitution ist das Institute of Cosmic Ray Researches (ICRR) der Universität Tokio, und das Projekt wird vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) mitbetreut. Die KAGRA-Kollaboration besteht aus über 480 Mitgliedern aus 115 Instituten in 17 Ländern und Regionen. Allgemeine Informationen zu KAGRA finden Sie auf der Website https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Ressourcen für Forschende gibt es auf https://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.