BLACK HOLES

Ein unabhängiges Team hat weitere Verschmelzungen von Schwarzen Löchern in LIGO-Daten gefunden.

Simuliertes Bild der Verschmelzung eines Schwarzen-Loch-Binärsystems. SXS-Lensing

Die vereinten Kollaborationen LIGO, Virgo und KAGRA (LVK) haben bisher 90 Gravitationswellenereignisse gezählt, von denen fast alle die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher waren. Davon wurden 44 während der ersten Hälfte des dritten Beobachtungslaufs der Detektoren mit dem Namen O3a gefangen, der von April bis Oktober 2019 dauerte.

Aber LVK-Forscher sind nicht die einzigen, die die Daten durchsuchen. Die Kooperationen machen die Daten öffentlich, damit andere Wissenschaftler sie untersuchen können, und unabhängige Teams haben sich mit ihren eigenen Analysetechniken beschäftigt.

Eines dieser Teams ist eine internationale Gruppe mit Sitz am Institute for Advanced Studies (IAS) in New Jersey, die 2019 sieben weitere Fusionen aus dem zweiten Beobachtungslauf aufgedeckt hat. Die Forscher haben sich nun die neueren O3a-Daten selbst angesehen und dabei nur Ereignisse verwendet, die von beiden LIGO-Standorten gesehen wurden. Diese Analyse ergab 10 neue Fusionskandidaten und stellte auch eine wieder her, die LVK-Mitarbeiter abgelehnt hatten, berichtete Seth Olsen (Princeton) Anfang dieses Monats auf dem Treffen der American Physical Society.

Aber wir können diese 11 nicht einfach zu 90 addieren. Die Sache mit Gravitationswellen ist, dass wir nicht einfach in den Himmel schauen und sagen können: „Oh, ich sehe sie!“ Wir brauchen eine rechnerische „Brille“. Und welche Brille wir verwenden, ist wichtig.

Forscher detektieren Gravitationswellenereignisse, indem sie die unendlich kleinen Dehnungen und Stauchungen messen, die die Raumzeitwellen in kilometerlangen Instrumenten hervorrufen. Diese Änderungen liegen in der Größenordnung von 10−21, was einer Anpassung der Größe der Erdumlaufbahn um die Breite eines Wasserstoffatoms entspricht. Die Wellen verstecken sich auch in viel Lärm, sowohl von der Ausrüstung selbst als auch von der Umgebung, sei es Wind, Holzeinschlag oder Vogelpicken.

Um die Signale herauszukitzeln, haben die LVK-Forscher mehrere Pipelines, Ketten von Rechenprozessen, die Daten bereinigen und auswerten. Einige Pipelines stützen sich auf Vorlagenbanken, riesige Bibliotheken potenzieller Signalformen, die Theoretiker im Voraus für verschiedene Arten von Ereignissen berechnet haben. Andere Pipelines verfolgen einen agnostischeren Ansatz und suchen einfach nach einem Überschuss statt nach bestimmten Signalen.

Die in diesen Pipelines getroffenen Entscheidungen bestimmen, welche Signale aus dem Hintergrund hervortreten – mit anderen Worten: Passen Sie die Vorgabe an, und Sie passen an, was Sie sehen. Beispielsweise bevorzugt LVK aufgrund von Annahmen über den Bereich der Spins von verschmelzenden Objekten kleinere Spins bei ihren Erkennungen.

Andere Teams verwenden ihre eigenen Pipelines mit ihren eigenen Annahmen und Prioritäten. Die IAS-Pipeline verbessert die Recheneffizienz, ignoriert aber auch einige der lautesten Ereignisse, um empfindlicher auf leise Ereignisse zu reagieren. Seine Annahmen machen das IAS-Team weniger empfindlich gegenüber den wahrscheinlichsten Ereignissen, aber empfindlicher gegenüber den exotischen Ereignissen, erklärte Olsen während einer Pressekonferenz.

Dank dieser Entscheidungen hat die IAS-Pipeline sechs Ereignisse von O3a „verloren“, aber 11 hinzugewonnen. Statistisch gesehen dürften jedoch drei der neuen Erkennungen Zufallsereignisse sein.

sich ausdehnendes Wellenmuster, das durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern entstehtStandbild aus einer Simulation der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit sehr unterschiedlichen Massen, die in ihrer inspirierenden Umlaufbahn umeinander wackeln. Rotere Farben stehen für stärkere Wellen. Diese Simulation entspricht den Eigenschaften von GW190412, die sowohl von der LVK- als auch von der IAS-Pipeline erkannt wurden. N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Ein Geschmack für das Exotische

Vor der Entdeckung von Gravitationswellen erwarteten Astronomen, dass Schwarze Löcher Massen zwischen 5 und 50 Sonnen haben würden. Die untere Grenze ist mysteriös, basierend auf der Tatsache, dass wir nicht viele dieser kleineren Schwarzen Löcher gefunden haben; es hat keine theoretische Untermauerung. Die Obergrenze liegt an der Sternphysik: Sterne, die massiv genug sind, um ein Schwarzes Loch zwischen 50 und 120 Sonnenmassen zu bilden, werden dies nicht tun – stattdessen werden sie sich in Stücke sprengen. (Wir werden wahrscheinlich.)

LVK-Erkennungen haben ein paar Objekte außerhalb dieser Grenzen eingeschlossen, und die IAS-Kandidaten fügen einige weitere hinzu. Dazu gehören GW190711_030756, die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit etwa 80 Sonnenmassen und einem mit 18 Sonnenmassen, und GW190704_104834, bei dem ein Schwarzes Loch mit 7 Sonnenmassen mit einem Objekt mit 3,2 Sonnenmassen (wahrscheinlich ein Schwarzes Loch).

Die wenigen massearmen Objekte lösen das Rätsel bei geringen Massen nicht – es ist einfacher, weniger massereiche Sterne herzustellen, also sollte es mehr kleine Schwarze Löcher geben als große, und das gibt es nicht. Vielleicht explodieren Sterne auf eine Weise, die auf natürliche Weise Überreste von mindestens 5 Sonnenmassen hinterlässt. Umgekehrt sind die kräftigen Schwarzen Löcher möglicherweise Nebenprodukte einer früheren Generation von Verschmelzungen, oder sie könnten darauf hindeuten, dass Fusionsreaktionen im Inneren von Sternen nicht so effizient sind, wie wir denken.

Die IAS-Pipeline entdeckte auch ein mögliches Ereignis, bei dem sich ein großes Schwarzes Loch fast auf dem Kopf um seinen Begleiter drehte: GW190910_012619, die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit 34 Sonnenmassen mit einem Objekt mit 2,9 Sonnenmassen. „Es wäre so unwahrscheinlich, dass das von zwei Schwarzen Löchern kommt, die ihr ganzes Leben lang zusammen waren“, sagt Olsen. Obwohl wir schon früher Anzeichen von falsch ausgerichteten Spins gesehen haben, ist dieser hier dramatisch. Es lässt keinen Zweifel daran, dass sich die beiden Schwarzen Löcher spät im Leben paarten. „Jeder wird sagen: ‚Ja, das ist wahrscheinlich ein Einfang oder ein verrücktes Mehrfachsystem, das das verursacht hat.’“ Bemerkenswerterweise hat dieses Ereignis jedoch eine der geringsten Wahrscheinlichkeiten, ein echtes astrophysikalisches Signal zu sein.

Exotische Ereignisse wie diese sind der Schlüssel, um zu entwirren, wie sich binäre Schwarze Löcher bilden und wie groß oder klein ein Schwarzes Loch sein kann.

schattierte Bereiche, die verschiedene mögliche Werte für Spin und Masse zeigenDie Bestimmung der Massen zweier verschmelzender Schwarzer Löcher und wie sie sich umeinander drehen, ist nicht einfach: Die Informationen sind in den Daten miteinander verflochten, und daher umfasst jedes Ereignis eine Reihe möglicher Massen und Drehungen, wobei Änderungen eines Parameters die Werte von beeinflussen die Anderen. (Schattierte Konturen zeigen 50 % und 90 % Wahrscheinlichkeit an.) Dennoch hatte das Ereignis GW190910 für alle betrachteten Massen (m1 und m2) eindeutig ein schwarzes Loch, das sich fast auf dem Kopf drehte (negative Werte von Chi effektiv). Das gilt unabhängig davon, ob Sie die IAS-Annahmen (blau) oder die LVK-Annahmen (orange) verwenden. Seth Olsen / Princeton

Die LVK-Kollaboration verfolgt Ereignisse, die von unabhängigen Teams gefunden wurden, und vergleicht die Analysen mit ihren eigenen. „Wir freuen uns, dass Menschen die Daten aus neuen Perspektiven und mit neuen Tools betrachten“, sagt LIGO-Sprecher Patrick Brady (University of Wisconsin, Milwaukee). Einige Ereignisse, wie vier, die von Alexander Nitz (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Deutschland) und andere im vergangenen Jahr aufgedeckt wurden, wurden später in den LVK-Katalog aufgenommen, als LVK-Forscher zurückgingen und eine tiefere Analyse durchführten, sagt Brady. Aber sie können die neuen unabhängigen Entdeckungen nicht einfach ihrem eigenen Katalog hinzufügen, da dies die Fähigkeit von LVK untergraben würde, die gesamte Population von Fusionen sauber zu analysieren.

„Das ist das Schöne an einem jungen Gebiet wie der Gravitationswellenastronomie“, fügt Brady hinzu. „Jede neue Beobachtung und jede Analyse der Daten bringt unser Verständnis des Universums sehr schnell voran.“

Die LVK-Forscher richten ihre Aufmerksamkeit nun auf den vierten Beobachtungslauf, der diesen Dezember beginnen soll. Sie erwarten, alle paar Tage eine Fusion zu entdecken. Wenn sich die Ereignisse häufen und sich die Empfindlichkeit verbessert, werden Sonderlinge und Unterklassen besser erforschbar.

In unserer Juni-Ausgabe 2022 können Sie mehr darüber lesen, was uns Gravitationswellen über Schwarze Löcher gelehrt haben.

Verweise:

S.Olsen et al. „Neue Verschmelzungen von binären Schwarzen Löchern in den LIGO-Virgo-O3a-Daten.“ arXiv.org 9. Februar 2022.

AH Nitz et al. „3-OGC: Katalog der Gravitationswellen aus kompakt-binären Fusionen.“ Astrophysikalische Zeitschrift. 20. November 2021.

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