Wenn eine Gravitationswelle die Erde durchquert, sind die Detektoren LIGO, Virgo und KAGRA bereit, sie zu erfassen. Ihre Empfindlichkeit hängt jedoch von vielen Faktoren ab, und es ist möglich, dass ein Detektor zum Zeitpunkt des Wellendurchgangs nicht einwandfrei funktioniert. In solchen Situationen ist es wichtig, die von diesem Detektor gesammelten Daten nachbearbeiten zu können, um ihre Qualität zu verbessern. Das Netzwerk verfügt nun über ein wirksames Werkzeug, um dies zu erreichen: die astrophysikalische Kalibrierung.
Gravitationswellen verformen die Raumzeit, indem sie sie bei ihrem Durchgang dehnen und stauchen. Dieser Effekt auf die Arme der Detektoren liegt in der Größenordnung von 10⁻¹⁹ Metern, also weit kleiner als der Durchmesser eines Protons! Um auf solch winzige Veränderungen empfindlich zu reagieren, werden die Detektoren in Echtzeit mithilfe von Rückkopplungs-Regelkreisen und einer präzisen Prozedur kalibriert, die ihre Reaktion auf Wellen modelliert und gleichzeitig die von den Regelkreisen selbst erzeugten Effekte berücksichtigt. Wenn die Kalibrierung nicht optimal ist, wird die „Auslesung“ des Signals – und damit die Interpretation des kosmischen Phänomens, das es erzeugt hat – beeinträchtigt.
Bild: Carl Knox - OzGrav,Swinburne University Of Technology Gesammelte Daten nachträglich rekalibrieren
Wenn das detektierte Gravitationssignal jedoch ausreichend stark ist (d. h. es sich deutlich vom Hintergrundrauschen abhebt), ist es möglich, die von einem schlecht kalibrierten Detektor gesammelten Daten nachträglich zu rekalibrieren, indem man sein Signal mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie sowie den von den anderen Detektoren beobachteten Signalen vergleicht. Die theoretischen Modelle spielen hier eine ähnliche Rolle wie Partituren, die die erwartete Form des Signals angeben (die „Noten“, die es „spielen“ soll). In Verbindung mit den Daten der gut kalibrierten Detektoren ermöglichen sie es, Störeffekte in den Daten des schlecht kalibrierten Detektors zu korrigieren. Der Vorgang ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie Musikproduktionssoftware die falschen Töne eines Sängers korrigiert, um sie an eine Melodie anzupassen.
„Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die den Raum dehnen und stauchen“, erklärt Christopher Berry, Forscher am „Institute for Gravitational Research“ der Universität Glasgow. „Sie sind extrem schwach, wenn sie die Erde erreichen, Millionen von Jahren nach den Ereignissen, die sie erzeugt haben. Wir können sie nicht direkt hören, aber unsere Detektoren können ihre Signale in Schallwellen umwandeln, deren Frequenz wir erhöhen, um sie hörbar zu machen. Jedes Signal erzeugt dann ein charakteristisches ‚Zwitschern', das reich an Informationen über ihre Quellen ist: Massen, Spins, Entfernung und Ort. Im speziellen Fall der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher funktioniert die astrophysikalische Kalibrierungstechnik, weil das ‚Zwitschern' des Signals mit extrem hoher Genauigkeit durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird.“
Test an zwei besonders starken und interessanten Signalen
In einem Artikel, der in
Physical Review Letters erscheinen wird, demonstrieren Forscher der LVK-Kollaboration, wie diese Technik auf zwei besonders starke und interessante Signale angewendet wurde: GW240925 und GW250207 (die Namen der Signale geben ihr Entdeckungsdatum an, September 2024 bzw. Februar 2025). Zum Zeitpunkt, als diese Signale aufgezeichnet wurden, befand sich der Detektor LIGO Hanford (Bundesstaat Washington, USA) nicht in optimalem Zustand, was die Interpretation seiner Daten besonders schwierig machte.
Als die beiden untersuchten Signale aufgezeichnet wurden, litt der Hanford-Detektor unter Instabilität, während die Detektoren in Livingstone und Virgo einwandfrei funktionierten.
Bild: Virgo-Kollaboration Durch den Vergleich der von der Theorie vorhergesagten Signale mit den Signalen, die gleichzeitig von den Detektoren LIGO Livingston (Louisiana) und Virgo (Italien) beobachtet wurden, konnten die Forscher präzise Schlussfolgerungen darüber ziehen, wie der Detektor LIGO Hanford die gesammelten Daten verzerrt hatte. Für GW240925 bestätigte diese Methode die bereits vor Ort gemessenen Kalibrierungsfehler. Für GW250207 hingegen war es unerlässlich, auf die astrophysikalische Kalibrierung zurückzugreifen, da vor Ort keine zuverlässigen Kalibrierungsmessungen verfügbar waren.
Dank der korrigierten Kalibrierung des Detektors LIGO Hanford ermittelten die LVK-Forscher, dass GW240925 durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit den Massen des 9- bzw. 7-Fachen der Sonne in etwa 350 Megaparsec Entfernung von der Erde erzeugt wurde, während GW250207 von zwei Schwarzen Löchern mit 35 und 30 Sonnenmassen in etwa 200 Megaparsec Entfernung stammte. Ohne eine sorgfältige Berücksichtigung der Kalibrierungsunsicherheiten hätten diese Schätzungen zu falschen Werten verzerrt werden können.
Präzisions-Gravitationsastronomie
„Diese Entdeckungen zeigen, dass wir nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit seit der ersten Detektion ein tiefes Verständnis der gesamten Analyse-Kette entwickelt haben, von den Signalen selbst bis zum Verhalten der Detektoren. In dem seltenen Fall, dass ein Detektor nicht richtig funktioniert, haben wir nun robuste Methoden, um die Daten der anderen Detektoren zu nutzen, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen. Diese Informationen sind entscheidend, um falsche Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie zu unterscheiden, die von einem nicht modellierten Detektorverhalten herrühren könnten“, freut sich Elisa Maggio, Forscherin am italienischen Nationalinstitut für Kernphysik (INFN) und ehemalige Postdoktorandin sowie Marie-Curie-Stipendiatin am Max-Planck-Institut (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam.
„Es ist bemerkenswert, dass diese gewaltigen kosmischen Ereignisse nicht nur von unseren Instrumenten gemessen werden können, sondern auch dazu dienen, unsere Messungen zu validieren. Die Tatsache, dass wir die astrophysikalische Kalibrierung erfolgreich einsetzen konnten, zeigt die Reife der Fähigkeiten von Gravitationswellendetektoren. Wir bewegen uns von der Ära der ersten Entdeckungen in die der Präzisions-Gravitationsastronomie. Darüber hinaus wächst der Katalog der Gravitationswellenentdeckungen stetig, und in einigen Wochen werden wir ein neues Kapitel veröffentlichen, mit neuen Beobachtungen, die unser Verständnis des Universums und seiner gewalttätigsten Phänomene weiter vertiefen und erweitern werden“, schließt Benoît Revenu, Forscher am Laboratoire Subatech (CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université) in Nantes und verantwortlich für die kosmologische Analyse dieser beiden ganz besonderen Ereignisse.
Quelle: CNRS IN2P3