„Auto-Tune“ jetzt auch für Gravitationswellen-Detektoren

Entscheidende Beiträge von AEI-Forschenden: Wie „verstimmte“ Detektoren signalbasierte Tests von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verfälschen können.

Auf den Punkt gebracht

• Neue Methode: Die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration hat erstmals erfolgreich eine neue Methode getestet, die die Empfindlichkeit ihres internationalen Netzwerks von Gravitationswellen-Detektoren verbessert.
• Auto-Tune für Gravitationswellen: Die neue Methode mit dem Namen „astrophysikalische Kalibrierung“ ähnelt der in der Musikproduktion verwendeten automatischen Tonhöhenkorrektur Auto-Tune. Mit ihr lassen sich „verstimmte“ Kalibrierungen der hochpräzisen Laserinstrumente aufspüren und korrigieren, die sonst die astrophysikalische Interpretation der gemessenen Signale verfälschen können.
• Erfolgreiche Demonstration: In einer aktuellen Veröffentlichung in Physical Review Letters wenden die Forschenden die Methode erfolgreich auf zwei starke Gravitationswellen-Signale von verschmelzenden Paaren Schwarzer Löcher an.
• Einsteins Theorie überprüfen: Forschende am AEI haben entscheidend dazu beigetragen, indem sie das Zusammenspiel zwischen nicht optimaler Detektor-Kalibrierung und dem Nachweis potenzieller Abweichungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie untersucht haben.

Kalibrierung der Instrumente

Das internationale Netzwerk der Gravitationswellen-Detektoren der LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration besteht aus fünf kilometergroßen Instrumenten. Alle lassen ultrareines Laserlicht mehrfach zwischen Spiegeln hin- und herlaufen. Damit messen sie die winzigen Längenänderungen – weniger als ein Milliardstel eines Milliardstels eines Meters –, die vorbeiziehende Gravitationswellen verursachen.

Um solche winzigen Längenänderungen nachweisen zu können, müssen die Detektoren sorgfältig in Echtzeit kalibriert werden. Entscheidend für diese Kalibrierung ist ein präzises Modell davon, wie der Detektor auf Gravitationswellen reagiert. Eine nicht optimale Kalibrierung des Detektors kann die Qualität beeinträchtigen, mit der das Signal empfangen wird. In der Folge kann dies auch die Interpretation des kosmischen Phänomens verfälschen, das das Signal erzeugt hat.

Auto-Tune für Gravitationswellen

Nun berichtet die LVK über die erste erfolgreiche Demonstration einer neuen Methode mit dem Namen „astrophysikalische Kalibrierung“. Sie kann eine nicht optimale Detektor-Kalibrierung nachträglich – nach Abschluss der Messung – finden und korrigieren. Das ist wie die automatische Tonhöhenkorrektur in der Musikproduktion, die auch als Auto-Tune bekannt ist. Dabei werden Abweichungen der Tonhöhe eines Gesangs nach der Aufnahme eines Liedes korrigiert.

Wenn sich ein Gravitationswellen-Signal deutlich vom Hintergrundrauschen des Detektors abhebt, dann lässt es sich laut und deutlich beobachten. In diesem Fall können die Forschenden das Signal mit Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie und mit Beobachtungen desselben Signals in anderen gut kalibrierten Detektoren vergleichen. So können sie „verstimmte“ Messungen eines nicht optimal kalibrierten Detektors nachträglich korrigieren. Die LVK-Wissenschaftler*innen nutzen Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie, um zu ermitteln, wie das Signal klingen sollte – so wie Musiker*innen eine Partitur verwenden, um die Tonhöhe eines Gesangs zu bestimmen.

Zwei laute Gravitationswellen-Signale

In einem Artikel, der in der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur Veröffentlichung angenommenen ist, zeigen die LVK-Forschenden, wie sie diese Technik auf zwei besonders laute Gravitationswellen-Signale angewendet haben. Diese Signale tragen die Bezeichnungen GW240925 bzw. GW250207.

Die beiden Signale wurden am 25. September 2024 bzw. am 7. Februar 2025 beobachtet. Zu beiden Zeitpunkten war der LIGO-Detektor in Hanford nicht optimal kalibriert. Das erschwerte die Interpretation seiner Daten erheblich. Durch den Vergleich der LIGO-Hanford-Daten mit theoretischen Vorhersagen und Beobachtungen derselben Signale durch den LIGO-Detektor in Livingston und den Virgo-Detektor konnten die Forscher*innen genau bestimmen, wie das „verstimmte“ LIGO-Hanford-Instrument die erfassten Daten verzerrte.

Das Signal GW240925 diente als Nagelprobe für die neue Methode. Die astrophysikalische Kalibrierung bestand diesen Test mit Bravour. Sie bestätigte die bekannten Abweichungen der Kalibrierung, die auch vor Ort bei LIGO Hanford gemessen worden waren.

Im Fall von GW250207 war es jedoch unerlässlich, auf die astrophysikalische Kalibrierung zurückzugreifen, um die Daten bestmöglich zu nutzen. Denn für den LIGO-Hanford-Detektor gab es keine zuverlässigen Messungen der Kalibrierung vor Ort. Mithilfe der astrophysikalisch korrigierten Kalibrierung des LIGO-Hanford-Detektors konnten die LVK-Forschenden die Abweichungen der Kalibrierung berücksichtigen. So vermieden sie eine verfälschte Interpretation des astrophysikalischen Ursprungs des Signals.

In ihrer Veröffentlichung berichten die LVK-Astrophysiker*innen, dass GW240925 von einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher stammte. Diese wogen das 9- bzw. 7-fache unserer Sonne. Ihre Gravitationswellen durchliefen das All für etwa 1,0 Milliarden Jahre, bevor sie die LVK-Detektoren erreichten. GW250207 wurde durch die Verschmelzung zweier schwererer Schwarzer Löcher verursacht, die das 35- bzw. 31-fache der Masse unserer Sonne auf die Waage brachten. Die Wellen dieser zweiten Verschmelzung durchliefen das Universum etwa 570 Millionen Jahre lang, bevor sie die Erde erreichten.

Wichtige Beiträge vom AEI Potsdam

Forschende der Abteilung für Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI im Potsdam Science Park zeigten, dass es unerlässlich ist, die Detektor-Kalibrierung zu berücksichtigen, wenn man die allgemeine Relativitätstheorie mithilfe von Gravitationswellen-Signalen überprüfen möchte.

„Wir haben festgestellt, dass die Vernachlässigung einer nicht optimalen Detektor-Kalibrierung Abweichungen von Einsteins Theorie möglicherweise nachahmen oder verbergen kann. Wir versuchen, diese Abweichungen in verschiedenen Abschnitten der Signale von Verschmelzungen Schwarzer Löcher zu beobachten“, sagt Lorenzo Pompili, ehemaliges Mitglied der Abteilung und jetzt Research Fellow an der University of Nottingham.

„Wir haben das Signal GW250207 genutzt, um einige der bislang strengsten Tests der allgemeinen Relativitätstheorie durchzuführen“, sagt Elise Sänger, Doktorandin in der Abteilung. „Wir hatten Glück mit GW250207, weil es so klar und deutlich beobachtet wurde und uns das Universum ein Signal beschert hat, das für diese Tests sehr gut geeignet war.“

„Dies ist die erste LVK-Veröffentlichung, die ein verbessertes Wellenformmodell verwendet, das wir am AEI entwickelt haben. Unsere Verbesserungen sind wichtig, um immer genauere Vorhersagen der Gravitationswellen-Signale zu erhalten, ohne die wir diese Untersuchungen nicht durchführen können“, sagt Héctor Estellés Estrella, ehemaliger Postdoktorand der Abteilung und jetzt Postdoctoral Fellow am Institut für Weltraumwissenschaften in Barcelona. „Auch die nächste Version des Gravitational-Wave Transient Catalog, die in Kürze veröffentlicht werden wird, wird dieses Wellenformmodell nutzen.“

„Die Phase, in der das Schwarze Loch unmittelbar nach der Verschmelzung seinen Endzustand einnimmt, bezeichnen wir als ‚Ringdown‘. Dabei sendet das Schwarze Loch ein charakteristisches Spektrum von Gravitationswellen-Tönen aus“, erklärt Elisa Maggio, ehemalige Postdoktorandin am AEI Potsdam und heute Forscherin am Italienischen Institut für Kernphysik. „GW250207 war erst das zweite Signal überhaupt, bei dem wir einen der höheren Töne eingrenzen und dessen Eigenschaften messen konnten.“