Verschmelzende Neutronensterne: Eine weltweite Beobachtungskampagne

Die Geschichte ging am Montag dann ja auch gleich durch die Medien: erstmals sind verschmelzende Neutronensterne anhand ihrer Gravitationswellen nachgewiesen worden, und direkt darauf, wie vorhergesagt, der zugehörige kurze Gammablitz. Warum das aufregend ist hatte ich, damals im Zusammenhang mit den entsprechenden (sehr konkreten!) Gerüchten in Neue Gerüchte zu Gravitationswellen-Nachweis: Was erwartet uns? beschrieben. Ja, wir haben etwas über Neutronensternmaterie gelernt. Ja, mit der Entfernung, die man bei einem solchen Gravitationswellensignal (“Chirp”) direkt bestimmen kann, konnte die Hubble-Konstante abgeschätzt werden – und der Wert passt zu den bisherigen Ergebnissen. Ja, der Ablauf mit erst der Kollision, dann dem Gammablitz, dann dem Nachglühen war so, wie von den entsprechenden Modellen vorhergesagt.

Verschmelzende Neutronensterne werfen Beobachtungspläne um

Besonders beeindruckend fand ich, für welche Aufregung die Meldung, dass da verschmelzende Neutronensterne mit einem Gammablitz assoziiert waren, am Entdeckungstag, dem 17. August 2017, unter den Astronomen gesorgt hat. Die folgende Abbildung zeigt den zeitlichen Ablauf. Gezeigt sind die beteiligten Teleskope (über 70, darunter 7 Weltraumteleskope) und wann sie mithilfe von “GCN Circulars” den anderen an der Beobachtungskampagne Beteiligten etwas über ihre Beobachtungen mitgeteilt haben.

Weltweite Beobachtungskampagne für verschmelzende Neutronensterne: Abbildung 2 aus LIGO/Virgo, "Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger".

Weltweite Beobachtungskampagne für verschmelzende Neutronensterne: Abbildung 2 aus LIGO/Virgo, “Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger”.

Ganz oben sind die wichtigsten Beobachtungsdaten dargestellt: Der “Chirp” als das charakteristische Gravitationswellensignal, dann 1.7 Sekunden später der Gammablitz, dann das mit der Zeit immer schwächer werdende Nachglühen.

Ein Wettlauf mit der Zeit

Den Ablauf kann man in dem zitierten Artikel LIGO/Virgo, “Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger” nachlesen: Wie am Anfang die Alarmmeldung des Gammastrahlen-Teleskops Fermi stand, sechs Minuten später die Detektoren-Pipeline meldete, dass in den direkt vorangehenden Daten ein Chirp zu finden war, GW170817. Die LIGO-Daten plus der Umstand, dass bei Virgo so gut wie nichts zu sehen war und die Quelle daher in einer ganz bestimmten Orientierung relativ zu Virgo stehen musste, sorgten für eine ungefähre Lokalisierung.

Dann das Warten über 10 Stunden, bis die betreffende Himmelsregion für die ersten Teleskope sichtbar werden würde, nämlich die Teleskope in Chile – in punkto Observatorien und Teleskope sicher eine der am umfangreichsten bestückten Gegenden der Welt. Aber bevor die Großteleskope zum Einsatz kommen konnten, musste die Quelle erst noch viel genauer verortet werden. Das unternahmen die kleineren Durchmusterungsteleskope mit großem Blickfeld – und gleich sechs Gruppen wurden unabhängig voneinander am gleichen Ort fündig.

Alle auf eines

Sobald die genaue Position bekannt war, wurden überall die laufenden Beobachtungsprogramme unterbrochen, und alle verfügbaren Teleskope richteten sich auf NGC 4993, die Galaxie, in der das Ereignis stattgefunden hatte. Das optisch schönste Foto machte einmal mehr das Weltraumteleskop Hubble:

Verschmelzende Neutronensterne glühen nach: Aufnahme mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble. Bild: NASA und ESA

Die vielfältigen Daten zu diesem Ereignis dürften die Forscher, die sich mit Gammastrahlenausbrüchen beschäftigen, noch eine ganze Weile in Atem halten.

…noch mehr verschmelzende Neutronensterne?

Spannend wird es dann wieder ab Herbst 2018. Dann gehen die LIGO-Detektoren und Virgo mit noch deutlich verbesserter Empfindlichkeit wieder an den Start und beginnen ihren nächsten Beobachtungs-Run. Voraussichtlich mit [einer derart größeren Empfindlichkeit, dass dann] ein dreimal so großes Raumvolumen zugänglich sein und der Nachweis der verschiedenen Arten von Verschmelzung wird entsprechend häufiger gelingen [wird].

Bereits aus dem ersten gemeinsamen Beobachtungsdurchlauf, vom 1. bis 25. August 2017, kennen wir zwei veröffentlichte Beobachtungen; gut möglich, dass es sogar noch mehr gibt. Mit dreifach[ größerem Volumen] stünden die Chancen gut, dann im Wochentakt oder noch häufiger Verschmelzungen nachzuweisen. Sicher auch wieder viele Schwarze Löcher, aber eben auch verschmelzende Neutronensterne. (Die Erwartungen, Stand September 2017, sind in diesem Artikel hier zusammengefasst.) Bei 12 Monaten gemeinsamer Laufzeit sollte da schon eine schöne Sammlung zusammenkommen, mit der sich Statistik betreiben lässt. Es bleibt spannend!

[Nachtrag 29.10.2017: Einige die Empfindlichkeit betreffende Sätze in den letzten beiden Absätzen aufgrund eines Leserkommentars leicht abgeändert.]

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

20 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. SNR für VIRGO-Signal betrug 2.0. Trotzdem wurden VIRGO-Daten für genauere Lokalisation der Quelle verwendet. Frage: Wie klein darf SNR überhaupt sein, damit eine Störung als solche bleibt und nicht als nutzbares Signal ausgewertet wird?

    • Ausgenutzt wurden ja nicht die Virgo-Daten im Detail, sondern gerade der Umstand, dass dieses Signal von Virgo im Vergleich zu den LIGOs nur sehr schwach wahrgenommen wurde. Damit war klar: es dürfte in einer der beiden Richtungen liegen, für die Virgo besonders unabhängig ist. Und tatsächlich hatte ja die Lokalisierung alleine mit den LIGOs gezeigt, dass das Signal in einem schmalen Streifen liegt, der genau diese für Virgo ungünstige Richtung enthält. Insofern passte beides zusammen, und man wusste anschließend, wo man konkret suchen muss.

  2. Nichtdestotrotz gib es offensichtlich keine eindeutig definierte Grenze für SNR. Im vorherigen Fall GW170814 glich VIRGO-SNR 4.4 und wurde im vollen Maße ausgenutzt. Im allgemein erscheinen mir die Handlungen mit SNR ziemlich schwammig. Man sucht nach maximalem SNR, z.B. 7.8, aber gerade drei Sekunden später kriegt man auch kein schlechtes SNR von 4.6.

    http://walter-orlov.wg.am/GW170814-H1-SNR.PNG

    Es ist nicht so, dass wir um das Signal drum herum nur ein chaotisches Rauschen haben. Es gibt in Wirklichkeit regelmäßige Übereinstimmungen mit relativistischer Vorlage. Die Ursache dafür kann man sich so vorstellen, dass es um das Signal drum herum von seinen nicht so stark ausgeprägten Klonen wimmelt. So beliebig oft kann doch kein Sternenpaar immer und wieder verschmelzen…

    • Umgekehrt wird ein Schuh daraus: In den üblichen SNR-Diagrammen ist der Verschmelzungszeitpunkt derjenige Parameter, der auf der x-Achse dargestellt wird, und das Suchmuster wird dementsprechend auf der Zeitachse nach links und rechts verschoben. Bei verschobenem Suchmuster bekommt man dann eine teilweise Übereinstimmung insbesondere in demjenigen Teil des Signals, wo sich die Frequenz mit der Zeit noch nicht so stark ändert. In dem Bereich bekommt man zum Teil ja sogar noch Übereinstimmung, wenn man um eine ganze (ungefähre) Wellenlänge verschiebt! Was aber bei Verschiebung rasch nicht mehr übereinstimmt, ist der allerletzte Teil des Signals kurz vor der Verschmelzung, wo sich die Frequenz schnell ändert. Entsprechend erwartet man in der Tat einen breiteren Bereich, wo die Übereinstimmung so-la-la ist, und ein einigermaßen scharfes Maximum.

      • Ich werde Ihnen zustimmen, solange die Berechnung in unmittelbarer Nähe des Signals stattfindet. Wenn wir uns aber auf Signal-Länge (~ 0.5 Sekunde) und mehr entfernen, gib es keine Überlagerungen der Vorlage mit dem im Rauschen versteckten Signal mehr. Nichtsdestotrotz, wie schon erwähnt wurden, nach 3 Sekunden kommt es zum neuen Ausschlag von 4.6.

        Und das ist nicht alles. Wenn wir uns die SNR-Diagrammen von anderen Ereignissen anschauen, dann ist es nicht zu übersehen, dass SNR immer “rauscht” und deutlich über 1.0 ist. Für beliebige Vorlage bekommen wir bei beliebig langer Aufzeichnungszeit im Durchschnitt ungefähr SNR ~ 2.5. Und Ausschläge > 4.0 sind gar nicht selten. Was hat das zu bedeuten? – In den Daten von GW-Detektoren wimmelt es in Unmengen von Chirp-Artigen Signalen. Deshalb kann es immer eine Übereinstimmung schlechthin mit einer bestimmten relativistischen Vorlage berechnet werden.

        • Nein, das Signal selbst ist ja deutlich länger. Da werden Sie je nach Länge immer ein paar zufällige Teil-Übereinstimmungen mit dem Muster bekommen. Das ist ja auch für sich genommen kein Problem. Sie müssen nur richtig berücksichtigen, wie häufig solche Teil-Übereinstimmungen sind, und wie häufig Sie auf diese Weise eine zufällige Detektion bekämen. Und das tun die Gravitationswellenforscher – deswegen ist die entscheidende Größe ja die False Alarm Rate, sprich: wie häufig ist zu erwarten, dass eine Detektion wie die gegebene einfach aufgrund von Zufallsrauschen zustandekommt.

          • Selbstverständlich geht man davon aus, dass das Schwarzlöcher-Paar schon seit Millionen von Jahren die Gravitationswellen gesendet hat. Aber wegen frequenzabhängiger Empfindlichkeit der GW-Detektoren bleiben nur einige Bruchteile der Sekunde übrig => “Zirp!”. Mit Hilfe von der Datenverarbeitung wird auch relativistische Vorlage auf “Zirp!” gekürtzt:

            https://physics.aps.org/assets/8c60cd69-5366-49d1-b1cf-53fce4303a14/e52_2.png

            Vergleichen “NR template” und “NR Template, band and notch filtered”. Und die letzte wird verwenden, um SNR zu berechnen.

            Schließlich sollen sie das folgende Bild kennen:

            http://www.ligo.org/detections/images/reconstruction_comparison.png

            Die Dauer des registrierten Signals von GW170104 dürfte ca. 0.3 Sekunden sein. Das heißt, dass wir ab 0.6 Sekunden Entfernung sicher schon von anderen Chirps reden dürfen.

          • Gerade in dem reconstruction_comparison sieht man aber auch, dass die Signale sämtlich nach links noch weitergehen. Und der Natur dieser Signale nach ändern sich Frequenz und Amplitude nur langsam und immer langsamer, wenn wir dort nach links gehen. Und das Template hat einen entsprechenden Verlauf. Diese Langsamkeit zeigt ja schon: Man kann da deutlich weiter verschieben als nur einige Zehntelsekunden und wird zumindest eine ungefähre partielle Übereinstimmung behalten. Insofern: Nein, rund um das Maximum macht es keinen Sinn, von “anderen Chirps” zu reden. Zumal die im Vergleich zum richtigen Match deutlich niedrigeren SNR ziemlich direkt zeigen, dass wir es nur mit Teil-Übereinstimmung zu tun haben.

          • Wenn Sie die in Vergangenheit unendliche Template auf Länge des Signals nicht kürzen, bekommen Sie auch keine Korrelation mit dem Signal. GW-Detektoren waren in der Lage nur 0.3s-langes Signal zu registrieren. Es gib nichts mehr in den Aufzeichnungen der Detektoren. Früher als 0.3s vor mutmaßlicher Verschmelzung Schwarzer Löcher darf es allein aus technischen Gründen nur Rauschen geben. Deshalb ist es egal, wo ungekürzte Template angelegt wird, nirgends wird eine Übereinstimmung geben. Das ganze Verfahren funktioniert nicht mehr.

            Template soll also erst Signal-gerecht gekürzt werden, also auch nur auf 0.3s, wie es hier gezeigt wird. http://www.walter-orlov.wg.am/GW150914-relativity.png Erst dann kann nach Korrelation mit aufgezeichnetem Signal gesucht werden.

  3. Bei dreifacher Empfindlichkeit also dreifacher Reichweite versiebenundzwanzigfacht sich das zugängliche Raumvolumen.

    • In meinem entsprechenden Satz ging es darum, dass die Reichweite um einen Faktor von etwa 1.5 zunimmt, da kommt man in dritter Potenz auf einen Volumenfaktor 3. (Laut Karsten Danzmann könnte es auch sein, dass sich die Reichweite verdoppelt; dann wären wir bei einem Volumenfaktor 8.)

      Empfindlichkeit schien mir da ein eher allgemeiner Begriff (während Reichweite natürlich klar definiert ist), insofern hatte ich ihn hier vereinfacht auf das Volumen bezogen. Aber Sie haben recht: In einem so schön linearen Detektor ist der naheliegende Begriff für die Empfindlichkeit derjenige, der sich auf die Amplitude bezieht. Die Abstandsabhängkeit hatte ich oben absichtlich nicht ins Spiel bringen wollen, aber ich schaue mal, dass ich die jetzige Version entsprechend anpasse. Danke für den Hinweis!

    • …leider offenbar ohne meine Erklärungen irgendwie aufzunehmen und zu berücksichtigen. Welche Rolle Virgo gerade dadurch, dass das Signal dabei nicht so stark nachgewiesen wird, für die Lokalisierung spielt, hatte ich ja durchaus erklärt. Ansonsten erzählen Sie Ihren Lesern leider nichts über die wichtigsten statistischen Argumente dafür, dass es sich um einen echten Nachweis handelt. Die False Alarm Probability, die in dieser Hinsicht viel wichtiger ist als Signal-zu-Rauschen, erhält man ja gerade, indem man u.a. in den vorhandenen Daten ohne Nachweis nach Übereinstimmungen mit den Suchmustern sucht bzw. sinnvoll extrapoliert, was bei einer solchen Suche herauskäme.

  4. Beim vorherigen Fall, also ersten Virgo-Nachweis, war SNR = 4.4. Das Signal wurde dabei voll ausgewertet. Und beim Einsetzen GW151226-Template in GW170104-Daten bekommt man SNR = 4.5. Wer weiß, welche Werte bei anderen Kombinationen noch raus kommen würden.

    Sonst haben Sie das Wort “Probability” selbst erwähnt. Das heißt prinzipiell, es gab WAHRSCHEINLICH einen Nachweis 😉

    • Genau – reale Messungen haben so gut wie immer statistische Messfehler, und jeder Nachweis hat eine assoziierte Wahrscheinlichkeit. Im Falle von GW150914 würde man etwa alle 200.000 Jahre erwarten, dass ein entsprechendes Signal durch das Rauschen vorgetäuscht wird.

      • Eigentlich versteht man unter Messfehler ein wenig anders als Signifikanz. Messfehler ist die Abweichung vom idealen Wert. Sinngemäß entspricht die Bedeutung des Messfehlers in unserem Fall eher dem SNR. Je größer ist SNR, desto weniger weichen Messdaten von der Template ab.

        Nun, von welcher Template? Man kann ein Haufen Template finden, die den gleichen SNR-Wert haben werden.

        Vielleicht ist es wirklich so, dass die Fälle, wenn dicke Chirps fast gleichzeitig in den Detektoren auftauchen, sehr selten sind, aber das betrifft nur die Signale selbst. Relativistische Simulation wird dadurch gar nicht bestätigt.

        • Naja, der zufällige Messfehler ist halt in unserem Falle der Anteil des Rauschens an dem, was gemessen wurde.

          Dass man einen Haufen Templates finden kann, die genau dasselbe Verhalten (ein sehr gutes Match und dann natürlich, wie besprochen, viel so-la-la bei leichten Verschiebungen) zeigen, bezweifle ich ganz entschieden. Die Übereinstimmung von relativistischen Simulationen und gemessenen Signalen ist schon sehr gut.

  5. Die neuste Meldung: https://physics.aps.org/articles/v11/36 Ich hätte sie wohl ignoriert – man will wieder mehr Rechnerleistung – aber die erste Abbildung kam mir irgendwie bekannt vor… Ach ja, so was Ähnliches habe ich selbst gemalt und hierher sogar gepostet (23. Oktober 2017 @ 07:40): http://walter-orlov.wg.am/GW170814-H1-SNR.PNG Während ich damit die ganze Absurdität des Verfahrens zeigen wollte, meinen die Leute es ernst. In der Tat, es geht immer schlimmer.