Besondere Gravitationswellen

„Ja, wir waren die Ersten“

Von Sibylle Anderl
 - 16:00
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Zum fünften Mal in zwei Jahren haben Wissenschaftler der Laser-Observatorien Ligo (Amerika) und Virgo (Italien) Gravitationswellen aus den Tiefen des Alls registriert. Verursacher der periodischen Verzerrungen der Raumzeit waren dieses Mal keine Schwarze Löcher, sondern zwei Neutronensterne, die miteinander verschmolzen sind. Das Ereignis, das sich in einer elliptischen Galaxie in 130 Millionen Lichtjahre Entfernung zutrug, war von einem heftigen Gammablitz und kurzwelliger Strahlung begleitet. Das ausgesandte Licht konnte gleichzeitig von einer Reihe von Teleskopen beobachtet werden. Dadurch konnte man den Ursprungsort der Gravitationswellen erstmals recht genau lokalisieren. In einer Pressekonferenz haben Wissenschaftler von Ligo, Virgo, der Nasa und weiteren Einrichtungen die bahnbrechende Entdeckung, die am 17. August 2017 gemacht wurde, jetzt bekannt gegeben. Die Beobachtungen erlauben einen detailliertes Blick in die Entwicklung von Neutronensternen und der Synthese von schweren Elementen wie Gold, Platin und Blei.

Professor Foley, stimmt es, dass Sie und ihr Team die Ersten waren, die das optische Signal der Gravitationswelle beobachtet haben?

Ryan Foley: Ja, wir waren die Ersten: die Ersten, die es gesehen, identifiziert und vermeldet haben. Andere Gruppen haben das Signal nach uns gesehen, nur wenig später zwar, aber die Ersten waren definitiv wir.

Wie war der Ablauf der Entdeckung? Die Gravitationswellenobservatorien von Virgo und Ligo hatten ein Signal beobachtet, das auf die Verschmelzung zweier Neutronensterne hinwies. Allerdings wusste man nicht genau, woher das Signal kam, denn diese Experimente können den Herkunftsort des Signals am Himmel nur sehr grob eingrenzen. Was ist dann passiert?

Als erstes wurden fast gleichzeitig mit dem Signal Gammablitze beobachtet. Es war klar, dass die Wahrscheinlichkeit ziemlich gering war, dass dieses gleichzeitige Auftreten Zufall war. Die Beobachtung der Gammablitze konnte aber den Herkunftsort des Signals am Himmel oder die Entfernung der Quelle auch nicht weiter eingrenzen.

Sensationelle Beobachtung
Fusion von Neutronensternen
© afp, afp

Weil die Beobachtungen im Gammabereich für einen zu großen Bereich am Himmel empfindlich sind?

Ja. All diese Informationen über den Ursprungsort des Signals können aber optische Beobachtungen liefern. Sobald also Ligo und Virgo den Bereich am Himmel bekannt gegeben hatten, aus dem das Signal wahrscheinlich stammte, konnte jeder mit der Suche nach der Quelle beginnen. Unser Team hatte Zugang zu einem kleinen Teleskop - relativ klein - der Spiegel hat einen Durchmesser von nur einem Meter.

Das Swope Teleskop auf dem Cerro Las Campanas in Chile?

Genau. Nur zum Vergleich: Die bekannten Keck-Teleskope auf Hawaii haben einen Durchmesser von zehn Metern, das heißt eine hundert Mal größere Fläche. Das Swope Teleskop ist klein, aber leistungsstark.

Wofür nutzen Sie das Teleskop ansonsten?

Normalerweise beobachten wir Supernovae, oder allgemeiner gesagt: Ereignisse, die wir „Transients“ nennen. Dinge, die sich auf kurzen, das heißt menschlichen Zeitskalen am Himmel verändern. In unserem Beobachtungsprogramm haben wir aber auch Zeit dafür reserviert, den optischen Entsprechungen von Gravitationswellen nachzuspüren. Und dafür war es diesmal der perfekte Augenblick, denn alle Gravitationswellensignale vorher waren auf die Kollision Schwarzer Löcher zurückzuführen - von denen man nicht erwartet, dass sie auch als Lichtsignal sichtbar sind. Diesmal war im Rahmen des Alarms aber bekanntgegeben worden, dass es sich um die Kollision zweier Neutronensterne handelte, wo man in der Tat Licht erwartet. Ziemlich viele theoretische Modelle sagen vorher, dass es ein helles Signal geben sollte, nach dem man suchen kann.

Sie waren also auf die Suche vorbereitet. Wer war zu der Zeit am Teleskop?

Dort war eine Masterstudentin von der Universität Chile, Natalie Ulloa. Masterstudenten arbeiten viel an diesem Teleskop. Außerdem waren der amerikanische Postdoktorand Benjamin Shappee und der Astronom Josh Simon vor Ort. Dave Coulter, der Postdoc Mark Siebert und ich haben die Beobachtungen von Dänemark aus organisiert. Dave Coulter ist Doktorand in meiner Gruppe und Erstautor des Artikels, in dem wir die Entdeckung bekannt geben. In den Vereinigten Staaten hat der Postdoc Charles Kilpatrick die Entdeckung begleitet.

Das klingt nach einem ungewöhnlich jungen Team.

Ja, absolut. Mehr als die Hälfte der Gruppe sind Studenten oder Postdocs. Wir sind jung, und wir sind divers.

Zu welcher Zeit erreichte Sie der Alarm von Ligo und Virgo?

Das war am 17. August. Zu der Zeit waren Dave, Mark und ich in Kopenhagen, dort erreichte uns der Alarm gegen Mittag. Dann dauerte es noch einmal zehn Stunden, bis wir die Beobachtungen starten konnten.

Warum hat das so lange gedauert?

Zum Zeitpunkt des Alarms war es Tag in Chile, wir mussten also warten bis es dunkel wurde. Sobald dies passiert war, starteten wir unsere Suche. In der Region, die uns mitgeteilt wurde, gab es etwa hundert Galaxien. Diese Galaxien haben wir danach geordnet, wie wahrscheinlich es war, dass sie Heimat der Signalquelle waren. Im neunten Bild, das wir aufnahmen, fanden wir dann die Quelle. Unsere Daten bestätigten unsere Erwartungen.

Wie groß ist denn die Region am Himmel, die mit dem Teleskop beobachtet werden kann?

Unser Teleskop beobachtet eine Region von einem Viertel Quadratgrad.

Das entspricht nur knapp einem Drittel der Fläche, die der Mond am Himmel einnimmt.

Andere Teleskope sind sehr viel besser für solche Suchen geeignet. Sie können bis zu sieben Quadratgrad abdecken, haben also ein bis zu 30 Mal so großes Gesichtsfeld wie unseres. Wir haben die zu beobachtenden Galaxien aber einerseits auf den Informationen basierend gewählt, die die Gravitationswelle über den Ursprungsort enthielt - den Teil des Himmels, der demgemäß eine größere Wahrscheinlichkeit besaß. Andererseits haben wir die Galaxien gemäß ihrer Helligkeit gewichtet, was grob der Anzahl der Sterne in der Galaxie entspricht. Denn wenn man nach dem Signal eines Sterns Ausschau hält, scheint es gut zu sein, dort zu suchen, wo es viele Sterne gibt.

Basierend auf diesem Verfahren hatten Sie also eine Liste von Galaxien, die Sie nacheinander beobachtet haben. Wie lange hat das pro Galaxie gedauert?

Ich denke etwa eine Minute.

Und parallel dazu haben Sie die Daten gleich ausgewertet?

Genau. Es gab nur eine kleine Verzögerung, da wir die Bilder von Chile in die Vereinigten Staaten übertragen mussten. Dann haben wir die Bilder etwas bearbeitet, und dann hat mein Postdoc Charles Kilpatrick jedes Bild auf neue Quellen hin überprüft.

Wie lange hat die Suche gedauert?

Ich erinnere mich nicht genau, aber ich denke es lag etwa eine halbe Stunde zwischen der Aufnahme und dem Moment als wir etwas gesehen haben, das hat nicht so lang gedauert.

Und wer sah die Quelle als erstes?

Das war Charles Kilpatrick. Er sah sie als erster und schickte sie dann sofort weiter an uns, und wir bestätigten seine Beobachtung.

Es muss ein unglaubliches Gefühl gewesen sein, als da tatsächlich etwas war.

Oh ja, absolut. Aber es war lustig, als wir es sahen wussten wir zunächst nicht, was es war. Die Bestätigung dauerte eine Weile. Es hätte auch ein Asteroid sein können oder eine alte Supernova.

Wie haben Sie das ausgeschlossen? Anhand existierender Kataloge?

Ja, die Kataloge, in denen Supernovae aufgelistet sind, sind ziemlich aktuell. Der Ausschluss eines Asteroiden ist ein bisschen komplizierter, weil deren Position sich ständig verändert. Aber es gibt eine Webpage, auf der man Koordinaten und einen Zeitpunkt eingeben kann, und dann angibt, ob sich dort ein Asteroid befindet. Das haben wir also überprüft, zusammen mit einigen anderen Berechnungen und Tests, um die notwendige Bestätigung zu bekommen. Dann haben wir uns die Galaxie angesehen, aus der das Signal kam, deren Entfernung und so weiter.

Und stimmte die Entfernung tatsächlich mit dem Wert überein, der auf der Grundlage des Gravitationswellensignals abgeschätzt wurde?

Ja, das war gut zu wissen. Also es ist bemerkenswert, aber gleichzeitig aber auch weniger überraschend als es vielleicht klingt, denn wir haben ja nach den Galaxien mit der passenden Entfernung gesucht. Wenn diese Annahme schon falsch gewesen wäre, hätten wir die Galaxie gar nicht gefunden, oder zumindest nicht so schnell, denn wir hätten zuerst in vielen anderen Galaxien gesucht.

Nachdem Sie die Bestätigung hatten, dass Sie das richtig Ereignis gefunden hatten, wie ging es dann weiter?

Wir haben mit unserem Team drei Teleskope gleichzeitig für die Suche genutzt: zusätzlich die beiden Magellan Teleskope, beide 6,5 Meter im Durchmesser. Sie stehen auf dem gleichen Berg wie das Swope Teleskop, das etwas schneller bei der Suche war als die anderen. Aber eines der beiden anderen Teleskope fand ebenfalls das Signal, während wir noch mit der Bestätigung beschäftigt waren. Wir haben mit diesem Teleskop also ein zweites Bild der Quelle aufgenommen und damit sicher gestellt, dass wir eine unabhängige Detektion vorzuweisen hatten. Dann haben wir Folgebeobachtungen gestartet und mit dem Teleskop ein Spektrum aufgenommen, mit dem anderen haben wir die Quelle im Infrarotbereich abgebildet und dort ein weiteres Spektrum bekommen. Mit dem dritten Teleskop haben wir die Suche fortgesetzt. Wir waren nicht ganz sicher, dass es das gesuchte Signal war, und solange wir nicht völlig sicher waren, wollten wir die Suche in den übrigen Galaxien nicht abbrechen. Wir hatten ein paar Stunden, bevor die Nacht vorbei war, solang konnten wir weiter beobachten. Am nächsten Tag haben wir die Daten analysiert, und andere Observatorien weltweit lieferten weitere Daten, die viele interessante Informationen enthielten. Nach meinen Berechnungen am Folgetag lag die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um irgendein zufälliges Objekt handelte, zwischen 1:100000 und 1:1000000.

Sie haben also sehr viele verschiedene Daten gewinnen können?

Wir haben Daten im optischen, infraroten und nah-infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Daneben gab es einige öffentliche Daten, die wir nutzen konnten. Außerdem gibt es Beobachtungen der Galaxie vor dem Ereignis. Wir haben auf dieser Grundlage eine ganze Reihe wissenschaftlicher Artikel geschrieben. Es ist definitiv ein sehr reichhaltiges Datenset.

Welche wissenschaftlichen Fragen können damit beantwortet werden?

Eine ganze Menge. Zum Beispiel kann man damit verstehen, was bei der Kollision von Neutronensternen passiert, und es ist ziemlich klar, dass es dabei einen Gammablitz gab. Wir versuchen auch zu verstehen, wie häufig diese Ereignisse stattfinden. Wir haben untersucht, welche Informationen allein in der elektromagnetischen Strahlung stecken. Was wir dabei sehen ist, dass wir bereits auf dieser Grundlage sagen können, dass es sich um die Kollision von Neutronensternen handelt. Wir schauen uns auch die Heimatgalaxie an, wo das Ereignis stattgefunden hat. Es gibt dort keine Anzeichen starker Sternentstehung, vielleicht sogar gar keine. Die Galaxie hat eine elliptische Erscheinung und ist relativ alt. Wir stellen also eine Menge verschiedener Fragen. Und dabei kratzen wir noch an der Oberfläche, denn die bisherigen wissenschaftlichen Artikel haben wir geschrieben, ohne dass wir Details der Gravitationswellendaten kannten. Jetzt warten wir, so wie alle anderen, auf diese Details. Wenn wir diese bekommen, können wir noch erheblich mehr herausfinden.

Und was kommt als nächstes, jetzt wo das neue Feld der Gravitatioswellenastronomie wirklich begründet wurde?

Ich denke, als erstes muss ich einmal Luft holen und über alles nachdenken. Wir haben jetzt fast zwei Monate lang nonstop gearbeitet und wenig geschlafen. Als nächstes werden Ligo und Virgo mindestens neun Monate abgeschaltet. Das verschafft uns etwas Zeit, um wirklich alles zu organisieren und vorzubereiten, so dass von unserer Seite aus alles perfekt funktioniert, wenn die Experimente wieder anlaufen. Wir wollen sicherstellen, dass wir dann alle Daten bekommen, die wir benötigen - wobei wir jetzt schon fast alles bekommen haben, was wir wollten. Wir erwarten aber, dass diese Ereignisse kollidierender Neutronensterne relativ häufig sind, und wir werden davon eine ganze Menge finden. In ein paar Jahren könnten wir dann ein Dutzend Fälle haben, und dann kann man schon etwas über die Population sagen. Man kann sich die Demographie anschauen und die Ereignisse zum Beispiel mit den beobachteten Gammablitzen vergleichen. Solche Fragen kann man nur stellen, wenn man eine größere Anzahl dieser Ereignisse beobachtet hat. Das wird unheimlich spannend werden. Und es ist vollkommen neu. Es wird auch aufregend sein, zu sehen, was andere Leute tun. Es gibt so viele großartige junge Wissenschaftler, viele davon in meinem Team. Ich freue mich sehr darauf, zu sehen, was die sich ausdenken werden.

Das Gespräch führte und übersetzte Sibylle Anderl.

Sensationelle Beobachtung
Fusion von Neutronensternen
© afp, afp

Der Entdecker

Ryan Foley ist seit 2016 Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz. Nach einem Bachelorabschluss der Mathematik, Physik und Astrophysik an der Universität Michigan schloss er an der Universität Berkeley ein Master- und ein Promotionsstudium im Fach Astrophysik ab. Im Jahr 2015 erhielt er ein Sloan Research Stipendium, mit dem Grundlagenforschung besonders aussichtsreicher Nachwuchsforscher gefördert werden soll. Im vergangenen Jahr wurde seine Forschung zur Natur der dunklen Energie mit einem Packard Stipendium gefördert.

Quelle: FAZ.NET
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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