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Alle Detektoren auf Empfang

18.05.2015

Physiker der Universität Jena an internationaler Studie beteiligt: Erste präzise Vorhersage des Gravitationswellensignals, das von zwei kollidierenden Neutronensternen ausgeht

Genau 100 Jahre ist es her, dass Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie Raum und Zeit erschütterte: Jede bewegte Masse, jeder Stern oder jede Galaxis – so Einsteins Theorie – bringen die sie umgebende Welt ins Wanken.


Das von den Physikern der Uni Jena und ihren Kooperationspartnern vorhergesagte Gravitationswellensignal (oben) und Momentaufnahmen der Kollision zweier Neutronensterne (unten).

Abbildung: TPI/FSU, AG Brügmann

Wie eine elastische Folie wird die sogenannte Raumzeit durch die Bewegungen der Himmelskörper verformt und gerät dabei selbst in Schwingungen. Diese Erschütterungen setzen sich mit Lichtgeschwindigkeit als Gravitationswellen in alle Richtungen fort und müssten sich auch von der Erde aus messen lassen. Doch, obwohl Einsteins Theorie unstrittig und die Gravitationswellen seit einem Jahrhundert vorhergesagt sind, wartet die Wissenschaftsgemeinde noch immer darauf, diese Wellen im Universum direkt zu messen.

In diesem Jahr sollen mit dem LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) in den USA und dem VIRGO-Interferometer in Italien zwei Detektoren für Gravitationswellen der neusten Generation ihre Arbeit aufnehmen. Doch ob sie endlich das ersehnte Gravitationswellensignal empfangen, das sei nicht nur eine Frage immer empfindlicherer Messtechnik.

„Wir brauchen auch möglichst präzise Vorhersagen, wie die Wellen physikalisch aussehen, nach denen wir fahnden“, sagt Prof. Dr. Bernd Brügmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Nur so lassen sich die Signale mit ihrer äußerst geringen Amplitude aus dem allgemeinen Rauschen herausfiltern.“

Nachwuchswissenschaftlern in Brügmanns Team sind jetzt genau solche Vorhersagen gelungen: Dr. Sebastiano Bernuzzi und Tim Dietrich haben in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ die bislang genaueste theoretische Beschreibung eines Gravitationswellensignals vorgelegt, das von zwei Neutronensternen ausgeht, die miteinander kollidieren (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.161103).

Gemeinsam mit ihren Fachkollegen Alessandro Nagar und Thibault Damour aus Frankreich haben sie dafür ein analytisches Modell weiterentwickelt, das die Bewegung eines Systems aus zwei Körpern und die dabei entstehenden Gravitationswellen beschreibt. Auf diese Weise lässt sich die Berechnung des Gravitationswellensignales deutlich vereinfachen.

„Der Rechenaufwand verringert sich um ein Vielfaches“, macht Dietrich deutlich. Anstatt Monate auf das Ergebnis einer einzigen Simulation zu warten, die nur auf den weltweit größten Supercomputern durchgeführt werden können, schafft ein normaler PC die Berechnung binnen Sekunden.

Dank dieses Ansatzes ist es den Forschern jetzt möglich, präzise Angaben zu Energie und Wellenform der Signale zu machen, die bei der Kollision von zwei Neutronensternen zu erwarten sind, und so die Auswertung der mit den neuen Detektoren aufgezeichneten Signale wesentlich zu vereinfachen. Wann der erhoffte Nachweis von Gravitationswellen tatsächlich gelingt, dazu ist freilich keine Vorhersage möglich.

Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio 7 „Gravitationswellenastronomie“ entstanden und wurde maßgeblich von der Arbeitsgruppe „Numerische Relativitätstheorie“ unter der Leitung von Prof. Brügmann vorangetrieben.

Original-Publikation:
Sebastiano Bernuzzi, Alessandro Nagar, Tim Dietrich, and Thibault Damour. Modeling the Dynamics of Tidally Interacting Binary Neutron Stars up to the Merger. Phys. Rev. Lett. 114, 161103 2015, http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.161103

Kontakt:
Prof. Dr. Bernd Brügmann
Theoretisch-Physikalisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947100
E-Mail: bernd.bruegmann[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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