Neue Rekorde der Präzisionsastronomie mit Gravitationswellen im neuen LIGO-Virgo-KAGRA-Katalog

Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik tragen zu den Entdeckungen im größten jemals zusammengestellten Gravitationswellen-Katalog bei.

Auf den Punkt gebracht

• Neuer Gravitationswellen-Katalog: Die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration veröffentlicht GWTC-5, den bislang umfassendsten Gravitationswellen-Katalog. Er enthält 161 neue Ereignisse und erhöht damit die Gesamtzahl der seit 2015 nachgewiesenen Signale auf 390.
• Eine Vielzahl von Ergebnissen: Der Katalog enthält viele astrophysikalische Highlights: die Gravitationswellen-Quelle mit der am genauesten bestimmten Ursprungsrichtung, die erste Messung von drei Gravitationswellen-Tönen eines Schwarzen Lochs, Hinweise auf die Existenz von Schwarzen Löchern der zweiten Generation sowie neue Messungen der Expansionsrate unseres Universums.
• Noch mehr Signale: Die Daten des letzten Teils des vierten Beobachtungslaufs werden derzeit ausgewertet. Informationen zu den 68 bereits bekannten Signal-Kandidaten und neuen Entdeckungen werden in den kommenden Monaten in einer Aktualisierung des Katalogs veröffentlicht werden.

Heute wird die LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Kollaboration einen aktualisierten Katalog der Gravitationswellen-Ereignisse veröffentlichen, die ihr internationales Detektornetzwerk mit Instrumenten in den Vereinigten Staaten, Italien und Japan beobachtet hat. Die neue Version des Katalogs trägt den Namen „Gravitational-Wave Transient Catalogue-5.0“ (GWTC-5). Sie wurde in drei Haupt- und drei Begleitartikeln auf dem arXiv-Preprint-Server eingestellt. Die Forschenden werden diese bei The Astrophysical Journal und The Astrophysical Journal Letters einreichen.

Das Detektornetzwerk nahm die Messdaten, die in diesen Studien analysiert wurden, während O4b auf. O4b ist der zweite Teil des vierten gemeinsamen Beobachtungslauf O4 und dauerte von April 2024 bis Ende Januar 2025. In den Daten fanden die Forschenden 161 neue Gravitationswellen-Ereignisse. Die Wissenschaftler*innen ermittelten die Parameter für 104 davon. Damit erhöht sich in der neuesten Version des Katalogs die Gesamtzahl der Ereignisse, die das Netzwerk seit dem ersten Nachweis im September 2015 beobachtet hat, auf 390.

Weil die Detektoren durch instrumentelle Upgrades immer empfindlicher werden, steigt die Zahl der in den einzelnen Beobachtungsläufen entdeckten Ereignisse deutlich an. Das zeigt sich daran, dass 75 % aller bisher beobachteten Gravitationswellen-Signale aus dem ersten und zweiten Teil von O4 stammen.

Ein beständig wachsender Datenschatz

„Wir haben unsere Detektoren mittlerweile so empfindlich gemacht, dass wir während unserer Beobachtungsläufe etwa drei- bis viermal pro Woche neue Gravitationswellen-Signale entdecken. Diese stellen für uns einen beständig wachsenden Datenschatz dar“, sagt Frank Ohme, Gruppenleiter in der Abteilung für Präzisionsinterferometrie und fundamentale Wechselwirkungen am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. „Jedes neue Signal hilft uns dabei, die dunkle, unsichtbare Seite des Universums besser zu verstehen.“

„Zehn Jahre nach unseren ersten Entdeckungen treten wir nun in das Zeitalter der Präzisionsastronomie mit Gravitationswellen ein“, fügt Karsten Danzmann, Direktor Emeritus am AEI in Hannover, hinzu. „Was wir heute mit der Gravitationswellen-Astronomie erreichen können, ist wirklich erstaunlich! Wir können die Population verschmelzender Schwarzer Löcher untersuchen, einige der präzisesten Tests der allgemeinen Relativitätstheorie durchführen und die Expansion unseres Universums auf eine ganz neue Art und Weise messen.“

„Unser neuer Katalog enthält mehrere außergewöhnliche und rekordverdächtige Signale“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin der Abteilung für Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI im Potsdam Science Park. „Wir haben Hinweise auf die Existenz von Schwarzen Löchern der zweiten Generation gefunden, die Himmelsposition einer Gravitationswellen-Quelle präziser als je zuvor bestimmt und im bislang klarsten beobachteten Signal erstmals drei Gravitationswellen-Töne eines Schwarzen Lochs gemessen oder eingeschränkt.“

„Die Kollaboration hat eine außerordentlich sorgfältige und umfassende Analyse der nachgewiesenen Gravitationswellen durchgeführt“, bestätigt Harald Pfeiffer, Gruppenleiter am AEI in Potsdam und leitender Gutachter für die interne Qualitätskontrolle der Datenerfassung und -analyse für die Publikation über die GWTC-5.0-Resultate. „Das macht die aktuellen Bekanntgaben nicht nur wissenschaftlich äußerst wichtig, sondern auch sehr verlässlich.“

Eine genau lokalisierte Verschmelzung Schwarzer Löcher

Ein Signal im Katalog, das die Detektoren am 15. Juni 2024 beobachteten, stellt einen neuen Rekord für die am genauesten bestimmte Himmelsposition auf. Seine Ursprungsrichtung wurde auf einen Bereich von nur 6 Quadratgrad eingeschränkt. Das entspricht einem Fleckchen Himmel, das sich von etwa 28 Vollmonden bedecken ließe. Diese außergewöhnliche Leistung war möglich, weil die LVK-Forschenden Daten von beiden LIGO-Instrumenten und vom Virgo-Detektor gemeinsam verarbeiteten.

Den Ursprungsort einer Gravitationswelle zu bestimmen, ist entscheidend bei der Suche nach möglichen elektromagnetischen Signalen, die durch Ereignisse wie die Verschmelzung von Neutronensternpaaren oder von Schwarzen Löchern mit Neutronensternen erzeugt werden. Je kleiner der ermittelte Himmelsbereich ist, desto einfacher ist es, andere astronomische Observatorien darauf auszurichten.

Das Rekord-Ereignis entstand durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die die 34- bzw. 26-fache der Masse unserer Sonne hatten. Die Gravitationswellen wurden bei ihrer Verschmelzung vor etwa 3,4 Milliarden Jahren – zu einer Zeit, als die frühesten bekannten Lebensformen auf der Erde entstanden – ausgesendet. Sie durchliefen das All mit Lichtgeschwindigkeit bis sie 2024 unseren Planeten erreichten.

Datenanalyse-Expertise und neue Wellenformmodelle

Immer wenn Gravitationswellen-Signale die Erde erreichten, überprüfte ein internationales Expert*innen-Team die Funktion der Algorithmen, die die potenziellen Signale identifiziert hatten, und besprach zudem die nächsten Analyseschritte. AEI-Mitglieder trugen in einwöchigen Schichten ihre Datenanalyse-Expertise während des Beobachtungslaufs bei.

Die Gravitationswellen-Astronomie geht weit über den bloßen Nachweis eines Signals hinaus. Mithilfe hochentwickelter Datenanalyse-Methoden muss es aus dem Hintergrundrauschen der Detektoren gefiltert und müssen seine astrophysikalischen Eigenschaften bestimmt und verstanden werden. Je deutlicher sich ein Signal vom Rauschhintergrund abhebt, desto „lauter“ ist es und desto besser lassen sich seine astrophysikalischen Eigenschaften verstehen.

Astrophysikalische Eigenschaften dieser lauten Signalen zu beschreiben, erfordert ein detailliertes Verständnis der charakteristischen Fingerabdrücke, die diese Eigenschaften in den Daten hinterlassen. Zu diesem Zweck haben Forschende am AEI in Potsdam und Hannover die neueste Generation verbesserter Wellenformmodelle entwickelt und maßgeblich zu ihnen beigetragen. LVK-Wissenschaftler*innen nutzen diese Modelle, um die von Doppelsystemen Schwarzer Löcher ausgestrahlten Gravitationswellen vorherzusagen und neu entdeckte Signale zu verstehen.

„Unsere verbesserten Wellenformmodelle sind physikalisch konsistenter und genauer. Sie sind entscheidend dafür, anhand der Detektordaten die Eigenschaften von Verschmelzungen Schwarzer Löcher zuverlässig zu bestimmen“, erklärt Héctor Estellés Estrella, ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI Potsdam und jetzt Postdoctoral Fellow am Institut für Weltraumwissenschaften in Barcelona.

„Wir haben zusätzliche physikalische Details in bestehende Wellenformmodelle integriert. Diese wurden nun in GWTC-5 eingesetzt und bringen uns der präzisen Modellierung dieser komplexen astrophysikalischen Systeme einen Schritt näher“, fügt Shrobana Ghosh hinzu, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung für Präzisionsinterferometrie und fundamentale Wechselwirkungen am AEI Hannover.

Das klarste Gravitationswellensignal

GWTC-5 enthält fünf außergewöhnlich laute Verschmelzungen von Binärsystemen Schwarzer Löcher, darunter das bislang mit Abstand klarste Gravitationswellen-Signal. Das zuvor veröffentlichte GW250114 stammte von einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit der 34- bzw. 32-fachen Masse unserer Sonne in einer Entfernung von rund 1,3 Milliarden Lichtjahren. Es wurde am 14. Januar 2025 beobachtet, und seine „Klarheit“ ermöglichte herausragende Ergebnisse, darunter einige der präzisesten Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, die je durchgeführt wurden, sowie die Bestätigung von Stephen Hawkings Flächen-Theorem Schwarzer Löcher.

Während der Abkling-Phase, in der das Schwarze Loch unmittelbar nach der Verschmelzung seinen Endzustand einnimmt, enthält das Gravitationswellen-Signal ein charakteristisches Spektrum von Tönen (auch Moden genannt). Charakterisiert man mehrere dieser Töne – misst man ihre Frequenzen und wie schnell sie abklingen – so kann man einzigartige und sehr strenge Tests der allgemeinen Relativitätstheorie durchführen. GW250114 war so laut und klar, dass die Forschenden zwei Töne messen und einen dritten eingrenzen konnten. Alle drei stimmen mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und der Kerr-Lösung für rotierende Schwarze Löcher überein.

Schwarze Löcher mit DINGO charakterisieren

In den vergangenen Jahren haben Wissenschaftler*innen am AEI und am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) einen Algorithmus namens DINGO entwickelt. Er setzt Methoden maschinellen Lernens zur Analyse von Gravitationswellen-Daten ein. DINGO kam beim Erstellen des neuen Katalogs  erstmals routinemäßig zum Einsatz.

„Unser Ansatz namens DINGO nutzt neuronale Netzwerke. Er ist genauso präzise und zuverlässig wie die herkömmlichen Methoden, die die LVK-Kollaboration zur Bestimmung der astrophysikalischen Eigenschaften der Gravitationswellen-Quellen verwendet. Er benötigt für dieselbe Aufgabe jedoch nur Minuten statt Stunden oder Tage“, erklärt Annalena Kofler, Doktorandin am MPI-IS und am AEI Potsdam.

„Die LVK hat 104 der 161 neuen Gravitationswellen-Signale genauer untersucht. Für 42 dieser 104 Signale im neuen Katalog kam DINGO zur Validierung zum Einsatz. Die DINGO-Ergebnisse stimmen exakt mit denen der herkömmlichen Methoden überein“, fügt Nihar Gupte hinzu, Doktorand in der Abteilung für Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am AEI im Potsdam Science Park.

Schwarze Löcher der zweiten Generation

Im Oktober und November 2024, im Abstand von nur einem Monat, registrierte das Detektornetzwerk Gravitationswellen von zwei ganz besonderen Verschmelzungen Schwarzer Löcher. GW241011 und GW241110 kamen aus Entfernungen von etwa 700 Millionen bzw. 2,4 Milliarden Lichtjahren.

Wie zuvor veröffentlicht, deuten bestimmte Eigenschaften dieser Verschmelzungen – insbesondere, wie schnell und um welche Achsen sich die Schwarzen Löcher drehten – darauf hin, dass es sich um Schwarze Löcher der „zweiten Generation“ handeln könnte. Das sind Schwarze Löcher, die selbst aus früheren Verschmelzungen Schwarzer Löcher entstanden sind, wahrscheinlich in dicht bevölkerten kosmischen Umgebungen wie bestimmten Sternhaufen. Dort ist es wahrscheinlicher, dass Schwarze Löcher wiederholt zusammentreffen und verschmelzen.

Die wachsende Zahl der beobachteten Ereignisse ermöglichte es den LVK-Forschenden zudem, in einem Begleitartikel die Eigenschaften verschiedener Populationen von Schwarzen Löchern zu untersuchen und zu identifizieren.

Die Expansion des Universums

Die LVK-Wissenschaftler*innen haben zudem die Rate bestimmt, mit der sich unser Universum ausdehnt. Dabei kam ihnen zugute, dass das Detektornetzwerk immer mehr Signale beobachtet und deren Position immer genauer bestimmen kann. Sie kombinierten gravitationswellenbasierte Messungen der Entfernungen zu den Quellen mit anderen Messungen davon, wie schnell sich diese aufgrund der Expansion des Universums von der Erde entfernen.

Die LVK-Kollaboration verbesserte die Genauigkeit, mit der sie die Hubble-Konstante ermittelte, um mehr als 25 % im Vergleich zu dem aus dem vorherigen Katalog abgeleiteten Wert. Die Hubble-Konstante ist ein Maß für die Ausdehnungsrate des Universums. Der nun ermittelte Wert stimmt mit bestehenden Messungen sowohl aus unserer kosmischen Nachbarschaft als auch aus dem frühen Universum überein. Er ist jedoch noch nicht präzise genug, um die „Hubble-Spannung“ zwischen diesen seit langem etablierten Messungen aufzulösen.

Weitere Signale im nächsten Update des Katalogs und dem kommenden Beobachtungslauf

Die Analyse von O4c, dem letzten Teil von O4, der von Ende Januar 2025 bis Mitte November 2025 dauerte, ist derzeit im Gange. Die LVK-Kollaboration wird die Ergebnisse in den kommenden Monaten veröffentlichen. Die 68 Signalkandidaten, die bereits während O4c identifiziert wurden, werden den Katalog erneut erweitern und neue Möglichkeiten zur Erforschung unseres Universums und der fundamentalen Gesetze der Physik bieten.

Derzeit werden die Detektoren des internationalen Netzwerks verbessert, um ihre Empfindlichkeit für IR1, den nächsten sechsmonatigen Beobachtungslauf, zu erhöhen. IR1 soll Ende Oktober oder Mitte November 2026 beginnen. Empfindlichere Instrumente werden dazu beitragen, Gravitationswellen-Signale noch häufiger zu entdecken – und möglicherweise weitere seltene kosmische Ereignisse aufzuspüren.