Gravitationswellendetektor der nächsten Generation im Weltraum wird LIGO auf der Erde ergänzen

EVANSTON - Die historische Erfassung von Gravitationswellen durch Kollisionen von schwarzen Löchern weit außerhalb unserer Galaxie öffnete ein neues Fenster zum Verständnis des Universums. Eine Reihe von Entdeckungen - vier weitere binäre Schwarze Löcher und ein Paar Neutronensterne - folgten bald auf die Beobachtung vom 14. September 2015.

Jetzt wird ein weiterer Detektor gebaut, um dieses Fenster weiter zu öffnen. Es wird erwartet, dass dieses Observatorium der nächsten Generation, LISA genannt, im Jahr 2034 im Weltraum sein wird und für Gravitationswellen mit einer niedrigeren Frequenz empfindlich sein wird als diejenigen, die vom erdgebundenen Laserinterferometer (Gravitationswellen-Observatorium, LIGO) detektiert werden.

Eine neue Studie der Northwestern University sagt voraus, dass Dutzende von Binärdateien (Paare von kompakten Objekten in Umlaufbahn) in den Kugelsternhaufen der Milchstraße durch LISA (Laser Interferometer Space Antenna) nachweisbar sind. Diese binären Quellen würden alle Kombinationen aus Schwarzem Loch, Neutronenstern und Weißer Zwerg enthalten. Aus diesen Sternhaufen gebildete Binaries haben viele andere Merkmale als die Binaries, die sich isoliert von anderen Sternen gebildet haben.

Die Studie ist die erste, die realistische globulare Clustermodelle verwendet, um detaillierte Vorhersagen für LISA-Quellen zu treffen. „LISA-Quellen in milchigen Globusclustern“ wurde am 11. Mai von der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

"LISA reagiert empfindlich auf Milchstraßensysteme und wird die Breite des Gravitationswellenspektrums erweitern, sodass wir verschiedene Arten von Objekten erforschen können, die mit LIGO nicht beobachtet werden können", sagte Kyle Kremer, der erste Autor der Zeitung, ein Ph.D. Student in Physik und Astronomie am Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences und Mitglied einer Forschungskooperation für Computational Astrophysics im Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration und Forschung in Astrophysik (CIERA).

In der Milchstraße wurden bisher 150 globuläre Cluster beobachtet. Das nordwestliche Forschungsteam sagt voraus, dass jeder dritte Cluster eine LISA-Quelle produzieren wird. Die Studie sagt auch voraus, dass ungefähr acht Schwarzloch-Binärdateien durch LISA in unserer benachbarten Galaxie von Andromeda und weitere 80 in der nahe gelegenen Jungfrau nachweisbar sein werden.

Vor der ersten Erfassung von Gravitationswellen durch LIGO, als die Zwillingsdetektoren in den Vereinigten Staaten gebaut wurden, arbeiteten Astrophysiker auf der ganzen Welt jahrzehntelang an theoretischen Vorhersagen darüber, welche astrophysikalischen Phänomene LIGO beobachten würde. Das tun die theoretischen Astrophysiker im Nordwesten der USA in dieser neuen Studie, diesmal jedoch für LISA, die von der Europäischen Weltraumorganisation mit Beiträgen der NASA gebaut wird.

"Wir führen unsere Computersimulationen und -analysen gleichzeitig durch. Unsere Kollegen biegen Metall und bauen Raumschiffe. Wenn LISA schließlich fliegt, sind wir alle gleichzeitig bereit", sagte Shane L. Larson, stellvertretender Direktor von CIERA und Autor der Studie. "Diese Studie hilft uns zu verstehen, was Wissenschaft in den LISA-Daten enthalten wird."

Ein Kugelsternhaufen ist eine Kugelstruktur aus Hunderttausenden bis Millionen von Sternen, die durch Gravitation miteinander verbunden sind. Die Cluster sind einige der ältesten Populationen von Sternen in der Galaxie und effiziente Fabriken kompakter Objektbinärdateien.

Das nordwestliche Forschungsteam hatte bei der Durchführung dieser Studie zahlreiche Vorteile. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Frederic A. Rasio und seine Gruppe ein leistungsfähiges Berechnungswerkzeug entwickelt - eines der besten der Welt -, um globulare Cluster realistisch zu modellieren. Rasio, Joseph Cummings Professor in Northwestern, Abteilung für Physik und Astronomie, ist der leitende Autor der Studie.

Die Forscher verwendeten mehr als hundert vollständig entwickelte globuläre Clustermodelle mit ähnlichen Eigenschaften wie die beobachteten globulären Cluster in der Milchstraße. Die Modelle, die alle bei CIERA erstellt wurden, liefen auf Quest, dem Supercomputer-Cluster von Northwestern. Diese mächtige Ressource kann die gesamten 12 Milliarden Jahre eines kugelförmigen Clusters in wenigen Tagen weiterentwickeln..