Formfindung für Einsteins Gravitationswellen
Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die durch die Wechselwirkungen zwischen massiven interstellaren Objekten verursacht werden. Diese unsichtbaren Verzerrungen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und wurden von Albert Einstein vor mehr als einhundert Jahren vorausgesagt. Nachgewiesen wurden sie erstmals im Jahr 2015. Gravitationswellen sind die einzige Form klassischer Strahlung, die von Schwarzen Löchern freigesetzt wird und es Wissenschaftlern auf der Erde ermöglicht, diese mysteriösen, gewaltigen Phänomene zu entdecken und zu untersuchen. „Gravitationswellen können durch verschiedene Szenarien erzeugt werden, eines der bekanntesten ist die Kollision zweier Schwarzer Löcher“, erklärt Anna Heffernan vom University College Dublin, leitende Wissenschaftlerin des Projekts GravityWaveWindow. Bevor zwei Schwarze Löcher kollidieren, strahlen sie Energie, also Gravitationswellen, in den Weltraum ab, wodurch die Umlaufbahnen schrumpfen, bis sie schließlich zusammenstoßen und eine massive Flut von Gravitationswellen freisetzen. „Solche Systeme zu untersuchen, ist von großer Bedeutung, da je nach Größe und Spin der Schwarzen Löcher Informationen auf kosmologischer Ebene (Wann haben sich diese Schwarzen Löcher gebildet? Wie sah ihr Entstehungskanal aus? Was ist die Expansionsrate des Universums?), astrophysikalischer Ebene (Wie setzen sich Galaxien zusammen? Wie entstehen und entwickeln sich Galaxien? Ist die Entwicklung einer Galaxie an ihr zentrales Schwarzes Loch gebunden?) und fundamentaler Ebene (Hatte Einstein recht? Gibt es Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie? – Entsprechen die Gravitationswellen den Erwartungen?) abgeleitet werden können“, erklärt Heffernan.
Formfindung der Wellen
Das Projekt GravityWaveWindow konzentrierte sich darauf, wie die Wellenformen aussehen. Dadurch können Detektoren die Gravitationswellen leichter erkennen und Wissenschaftler präzise Details, die in den Daten verborgen liegen, besser erfassen. „Sobald Signale erkannt wurden, werden sie mit den Wellenformmodellen verglichen, um Parameterwerte wie zum Beispiel – Wie groß waren die Schwarzen Löcher? Haben sie sich gedreht? zu extrahieren“, so Heffernan. Das Projekt untersuchte Wellenformen aus zwei Blickwinkeln. Erstens, diejenigen, von denen vorhergesagt wird, dass sie aus Systemen stammen, bei denen ein Objekt etwa eine Million Mal kleiner ist als das andere, sogenannte Extreme Mass Ratio Inspirals (EMRI). „Es wird angenommen, dass diese Systeme im Zentrum vieler Galaxien existieren, die supermassereiche Schwarze Löcher enthalten“, erklärt Heffernan. Zweitens jene, die durch eine Abwandlung von Einsteins Relativitätstheorie, der Skalar-Tensor-Gravitationstheorie, vorhergesagt wurden. Die Berechnung von Wellenformen für derartige alternative Gravitationstheorien wird Wissenschaftlern den Vergleich mit vergangenen und zukünftigen Wellen ermöglichen.
Zwerge auf den Schultern von Riesen
Das Projekt lieferte genaue Beschreibungen der stark gekrümmten Raumzeit um die kleineren Schwarzen Löcher in EMRI-Systemen, was den Analyseprozess in zukünftigen Forschungsarbeiten erheblich beschleunigen wird. In Bezug auf die Skalar-Tensor-Gravitationstheorie hat das Team von Heffernan Pakete zur Erstellung der für die Abbildung der Wellenformen erforderlichen Berechnungen entwickelt. Die harte Arbeit und der Erfolg des GravityWaveWindow-Projekts werden den Wissenschaftlern der EU bei zukünftigen Weltraummissionen zugute kommen, beispielsweise bei der LISA-Mission zur Messung von Gravitationswellen im Weltall, die die ESA im Jahr 2034 starten wird. „Eines der Dinge, die ich an diesem Projekt liebe, ist, dass ich den Projektantrag geschrieben habe (und die Finanzierung bewilligt wurde), noch bevor es zum Nachweis der Gravitationswellen kam“, fügt Heffernan hinzu. Sie begrüßt die Tatsache, dass die Europäische Kommission durch das Programm Horizont 2020 eine solche Voraussicht und ein solches Vertrauen in ihre Forschenden hat. „Mein Projekt sowie viele ähnliche Projekte wurden aufgrund der Möglichkeit, große Wissenschaft zu betreiben, finanziert und nicht aufgrund der absoluten Gewissheit darüber.“ Unterstützt wurde die Forschungsarbeit durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm.
Schlüsselbegriffe
GravityWaveWindow, Schwarze Löcher, Kollision, Gravitationswellen, Einstein, Wellenlängen