Ein hannoverscher Großrechner hilft, Gravitationswellen nachzuweisen

Rechentitan

Jan Bundesmann

Der Nachweis von Gravitationswellen erfordert weltweit hohe Rechenkapazitäten. Einen Großteil davon steuert Atlas, der leistungsstärkste Cluster innerhalb der LIGO Scientific Collaboration, von Hannover aus bei.

Die Messung

Ein Michelson-Interferometer misst den Laufzeitunterschied eines Laserstrahls entlang zweier Arme. Bei den LIGO-Detektoren haben die beiden Arme eine Länge von je vier Kilometern (Abb. 1).

Bei den beiden LIGO-Detektoren handelt es sich um sogenannte Michelson-Interferometer. Darin teilt ein Strahlteiler einen Laserstrahl mit ausreichend hoher Kohärenzlänge in zwei Hälften. Diese legen anschließend jeweils vier Kilometer bis zu einem Spiegel zurück, werden dort reflektiert und treffen nach erneutem Passieren des Strahlteilers auf einen Detektor. Je nach Laufzeitunterschied in den beiden Armen ergibt sich ein charakteristisches Interferenzmuster am Detektorschirm. Unter dem Einfluss von Gravitationswellen verkürzt sich einer der Arme, während sich der andere verlängert. Die Empfindlichkeit des LIGO-Interferometers ist so hoch, dass es den Abstand zwischen der Sonne und dem nächsten Stern (etwas mehr als 3 Lichtjahre) mit einem Fehler bestimmen könnte, der in der Größenordnung eines Haardurchmessers liegt. So schwach war das Signal der gemessenen Kollision.

Betrachtet man das Signal, das die kollabierenden schwarzen Löcher erzeugten, als akustische Welle, erhält man einen Ton mit ansteigender Frequenz und Amplitude – immer höher und immer lauter (Abb. 2). Quelle: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration; Abb. 2 in [1]; CC-BY-3.0

Um andere Ursachen auszuschließen, vergleichen die Physiker die aus den Interferenzmustern ermittelten Längenfluktuationen beispielsweise mit Daten von den Seismometern und außerdem die Signale der beiden Detektoren miteinander. Der erste Schritt schließt geologische oder menschengemachte Signale aus. Die verbleibenden Signale werden als Gravitationswellen interpretiert, wenn beide Detektoren gleichzeitig dasselbe messen. Da sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, bedeutet Gleichzeitigkeit, dass die zwei Messungen innerhalb eines Zeitfensters von 10 Millisekunden stattfinden. Am 14. September maßen beide Einrichtungen dasselbe Signal: eine Welle mit ansteigender Frequenz und Amplitude, die nach 0,2 Sekunden abbricht – die schwarzen Löcher umkreisen sich immer schneller, bis sie schließlich kollabieren.

Wenn zwei Körper ihren Abstand verändern, ohne sich bewegt zu haben, hat vermutlich Albert Einstein seine Finger im Spiel. Der hat mit der Allgemeinen Relativitätstheorie die mathematische Grundlage für sogenannte Gravitationswellen gelegt: periodische, zeit- und ortsabhängige Schwankungen der Raumzeit, woraus die oben erwähnten Längenschwankungen herrühren. Der erste direkte Nachweis musste lange auf sich warten lassen – immerhin etwa 100 Jahre. Schwierig war er aus zwei Gründen. Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden: Dafür empfehlen sich Sterne, besser Neutronensterne (die sind dichter) oder sogar schwarze Löcher – Standard-Laborausrüstung erzeugt nur sehr schwache Gravitationswellen. Die resultierenden Längenänderungen sind sehr klein, weshalb ihre Messung nicht direkt erfolgen kann, sondern zum Beispiel mit einem Interferometer (siehe Kasten).

Die Messung der LIGO-Detektoren, die im Februar die Schlagzeilen gefüllt hatte, betraf die Kollision zweier einander umkreisender schwarzer Löcher und ist der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen. Derartige spiralförmig ineinanderlaufende kompakte Objekte erzeugen messbare Gravitationswellen. Abhängig von den beteiligten Massen und den Eigendrehimpulsen der schwarzen Löcher lässt sich die Form der Signale vorhersagen. Dafür existiert eine Datenbank mit 250 000 Templates, die bestimmten Kombinationen von Massen und Eigendrehimpulsen zugeordnet sind. Am Atlas-Cluster in Hannover vergleichen die Physiker den Datenstrom mit den möglichen, vorhergesagten Signalen, um diese im Rauschen überhaupt zu finden. Der Vergleich beinhaltet eine Fouriertransformation des Produkts der gemessenen Signale und der Templates im Frequenzraum. Sollte ein ausreichend starkes Signal in den Messungen existieren, wird ein Match sichtbar. Zum LIGO-Experiment gehören zwei Detektoren in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) mit einer Entfernung von etwa 3000 Kilometern – einmal quer durch die USA. Damit Ereignisse an den zwei Orten miteinander in Korrelation gesetzt und als kosmischen Ursprungs betrachtet werden können, darf der zeitliche Abstand zwischen den beiden Detektoren maximal zehn Millisekunden betragen. Das ist die Zeit, die Gravitationswellen benötigen, um diese Distanz zurückzulegen.