Das Wispern des Weltalls

Noch ist die Kampagne nicht komplett ausgewertet. Immerhin wurden innerhalb der 2,5 Jahre 283 Kandidaten aufgespürt und vom Rapid Response Team binnen Minuten bis Stunden bekannt gegeben (29 davon waren falscher Alarm und wurden zurückgezogen). Hinzu kamen 5.136 Kandidaten mit geringer statistischer Signifikanz, von denen aber durchaus einige echt gewesen sein könnten. „Eine Abdeckung über 24 Stunden in sieben Tagen pro Woche für eine so lange Zeit war keine kleine Aufgabe“, sagt Keita Kawabe von LIGO-Hanford. „Der Schlüssel dazu war eine weltweite Kooperation.“

Zweck der Alerts ist es, Astronomen zu ermöglichen, rasch nach elektromagnetischen Gegenstücken am Himmel zu suchen: etwa Gammablitzen oder Radioausbrüchen. Allerdings konnte kein einziger erspäht werden; das Ereignis vom 17. August 2017 bleibt also nach wie vor die Ausnahme. Aber das verwundert auch nicht, insofern die Lokalisation der Gravitationswellen-Quellen noch sehr, sehr ungenau ist und die Verschmelzung Schwarzer Löcher eine äußerst finstere Angelegenheit darstellt.

Präzision ist Trumpf

Vor dem Beobachtungslauf O4 wurde verschiedene Optimierungen an den Detektoren vorgenommen, um deren Sensitivität zu erhöhen, die nun besser war als jemals zuvor. „So wurden die Laserquellen der LIGO-Detektoren, das Herzstück der empfindlichen Instrumente, verbessert. Sie liefern hochpräzises Laserlicht mit einer Leistung von bis zu 125 Watt, dessen Eigenschaften auf sehr kurzen und sehr langen Zeitskalen stets gleich sind“, sagt Karsten Danzmann, Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover. Es war an den Arbeiten beteiligt und betreibt 20 Kilometer südlich bei Ruthe den kleinen GEO600-Detektor, in dem als Technikschmiede viele wichtigen Systeme entwickelt, getestet und optimiert wurden.

Gesteigert wurde die Leistung der Laserstrahlen im Interferometer, was vor allem die Empfindlichkeit oberhalb von 200 Hertz verbessert hat. Der Einsatz von sogenanntem gequetschten Laserlicht manipuliert jetzt das Quantenrauschen und erhöht dadurch die Sensitivität der Detektoren. Zusätzlich installierte Blenden verringern das Streulicht. Die Massen der Spiegel wurde vergrößert, was das thermische Rauschen der Beschichtung sowie Trägheits- und Quanteneffekte reduziert. Auch eine neue Beschichtung und Aufhängung der Spiegel mindert das Rauschen. Eine Implementierung des Signalrecyclings erweitert die Frequenzbandbreite der Detektorsensitivität. Außerdem konnte die seismische Isolation nochmals verbessert werden, was Störungen durch Erschütterungen verringert.

Und nicht nur die Hardware wurde optimiert. O4 profitierte auch von Steigerungen bei der Genauigkeit, Geschwindigkeit und physikalischen Güte der Wellenform-Modelle, die zur Identifikation und Analyse der Gravitationswellen unerlässlich sind. Die präziseren und schnelleren Algorithmen trugen zur gegenwärtigen Entdeckungsflut maßgeblich bei. Dabei waren unter anderem Arbeiten am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam sehr wichtig.

Ein neuer Katalog

Am 26. August 2025 hat die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration die Resultate der Messungen des ersten Teils von O4, O4a genannt, veröffentlicht. Zugleich erschien eine neue Version des Gravitational-Wave Transient Catalog: GWTC-4.0.

O4a dauerte vom 24. Mai 2023 bis zum 16. Januar 2024, also 237 Tage. 126,5 davon waren beide LIGO-Detektoren in Betrieb (53 Prozent), 40,2 keiner (17 Prozent). Virgo war den ganzen Zeitraum über nicht aktiv, sondern wurde aufgerüstet und beteiligte sich wieder ab dem 10. April 2024 an O4b. KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) in der japanischen Kamioka-Mine war vom 24. Mai bis zum 21. Juni 2023 zugeschaltet, ist aber noch nicht empfindlich genug. Außerdem hatte ein Erdbeben am 1. Januar 2024 mehrere Spiegelaufhängungen beschädigt und die Weiterentwicklung des 3-Kilometer-Interferometers verzögert, sodass ein Betrieb erst ab 11. Juni 2025 bis zum Ende von O4 wieder möglich war.

„Wir haben 128 neue Kandidaten gefunden mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 50 Prozent dafür, dass sie einen echten astrophysikalischen Ursprung haben“, fasste das LIGO-Team seinen Erfolg von O4a zusammen. „Das hat die Zahl der Einträge im neuen Katalog auf 218 erhöht und somit mehr als verdoppelt!“ Die Hälfte davon war bereits in Echtzeit gemeldet worden.

Im Beobachtungslauf O4b vom 10. April 2024 bis zum 28. Januar 2025 wurden 105 signifikante Ereignisse vermeldet. In O4c vom 28. Januar 2025 bis zum 18. November 2025 (mit einer Wartungspause zwischen dem 1. April und 11. Juni, um unter anderem ein defektes Ventil in LIGO-Livingston zu reparieren) waren es 68. Die Daten von O4b und O4c werden gegenwärtig ausgewertet und im nächsten Katalog veröffentlicht.

Der vorige Katalog GWTC-3, publiziert am 7. November 2021, enthielt 90 Einträge aus O1 bis O3. Alle Nachweise waren statistisch signifikant (wobei allerdings doch noch zehn Prozent Truggebilde sein können). Die meisten stammen von verschmelzenden Schwarzen Löchern mit Massen vom etwa 7- bis fast 100-Fachen unserer Sonne. Bei zwei oder drei gemessenen Ereignissen hat ein Schwarzes Loch einen Neutronenstern verschlungen. Und zweimal wurde die Kollision zweier Neutronensterne registriert, die ein Schwarzes Loch bildeten.

Für den neuen Katalog GWTC-4.0 waren nun vier verschiedene Wellenmodelle zur Auswertung im Einsatz. Das machte die Datenanalysen noch robuster und exakter. Nur acht der neuen Einträge wurden in nachträglichen tieferen Analysen entdeckt, alle anderen bereits durch die automatische Auswertung kurz nach der Messung. (Während O4a wurden 1.697 Benachrichtigungen publiziert, 82 davon als sehr wahrscheinlich astrophysikalisch gekennzeichnet.)

O4a hat keine einzige Karambolage von Neutronensternen aufgespürt. Zwei Quellen lassen sich auf die Kollision eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern zurückführen, GW230529 und GW230518, wobei nur das erste Ereignis eine hohe Signifikanz hatte. 84 Signale stammten sehr wahrscheinlich von der Verschmelzung Schwarzer Löcher (falsche Alarmrate unter einem Ereignis in vier Jahren); das hat die Gesamtzahl solcher Quellen im Katalog auf nunmehr 153 erhöht.

Viele Fortschritte

Die neuen Entdeckungen haben das Verständnis Schwarzer Löcher abermals signifikant bestätigt beziehungsweise vertieft. So konnte das Flächentheorem des weltbekannten Physikers Stephen Hawking aus dem Jahr 1971 erstmals fulminant verifiziert werden. Auch kommt allmählich Licht ins Dunkel der Rätsel, die sich um die Entstehung und Entwicklung der binären Finsterlinge ranken und Astrophysikern Kopfzerbrechen bereiten; andererseits stellen sich neue Fragen.

Überraschend war der Nachweis erstaunlich leichter Schwarzer Löcher, die die gängige Vorstellung einer Massenlücke zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löcher herausfordern. Unerwartet kam zudem die bislang massereichste gemessene Verschmelzung Schwarzer Löcher. Zu den neuen Funden gehören auch asymmetrische Kollisionen, bei denen ein Schwarzes Loch deutlich massereicher ist als das andere.

Zusätzlich haben die LIGO-Daten zahlreiche Parameterbereiche weiter eingeschränkt, wenn auch nichts direkt gemessen. Das gilt für Paare naher Neutronensterne, Unregelmäßigkeiten in der Rotation solcher Sternruinen, Gravitationswellen von Supernovae (so wurde von der Sternexplosion SN 2023ixf am 19. Mai 2023 in der knapp 22 Millionen Lichtjahre fernen Galaxie M 101 nichts gemessen), Korrelationen mit Gammastrahlen- und Neutrinoquellen sowie für die Existenz unbekannter Phänomene. Verschiedene Modelle zu brachialen Vorgängen im sehr frühen Universum implizieren einen Gravitationswellen-Hintergrund, der in LIGOs Empfindlichkeitsbereich von 10 bis etwa 1.000 (im Prinzip sogar 10.000) Hertz fällt. Solche Modelle sind spekulativ, können aber Verständnislücken der gegenwärtigen Kosmologie schließen. Daher ist es wichtig, ihre Parameterbereiche einzugrenzen, selbst wenn es keinen direkten Nachweis gibt. Das gelang durch die O4a-Messungen hinsichtlich gleich mehrerer Szenarien: Phasenübergänge, Kosmische Strings, Domänengrenzen, Modelle der Axion-Inflation, binäre primordiale Schwarze Löcher, bestimmte Störungen in der Materiedichte und eine Verletzung einer Symmetriebedingung namens Parität.

Auch Modelle für die ominöse Dunkle Materie im All kann LIGO einschränken. So würde eine hypothetische Art der Dunklen Materie, fuzzy dark matter genannt, aufgrund ihrer wellenartigen Erscheinungsform die Elektronenmasse und die Feinstrukturkonstante geringfügig schwanken lassen. Diese Oszillationen führen dazu, dass gewöhnliche Materie leicht kontrahiert und expandiert, abhängig von der Masse des Skalarfeld-Partikels dieser Dunklen Materie. „Die meisten Effekte würden sich in LIGO gegenseitig aufheben – mit Ausnahme des Signals vom Strahlteiler“, sagt Alexandre Göttel von der Cardiff University. Jede Veränderung des Strahlteilers in der Mitte des Detektors würde das Interferenzmuster der Laserstrahlen verschieben. Eine Analyse von Göttels Team ergab jedoch, dass bei einer Frequenz von 10 Hertz nichts gemessen wurde. Das setzt die bisher stärksten Grenzen für hypothetische Skalar-Partikel mit einer Masse von 10^–13 Elektronenvolt.

Der neue Katalog GWTC-4.0 ermöglichte es ferner, die Kollisionsraten kompakter Objekte im Universum genauer zu bestimmen also zuvor. Pro Jahr und Kubikgigaparsec (3,47 · 10²⁸ Lichtjahre³) betragen sie 8 bis 250 für binäre Neutronensterne, 9 bis 84 für Neutronensterne mit Schwarzen Löchern sowie 14 bis 26 für binäre Schwarze Löcher. Die Obergrenze des ersten Werts hat sich erhöht, der Unsicherheitsbereich für binäre Schwarze Löcher hingegen halbierte sich im Vergleich zum vorigen Katalog GWTC-3. Außerdem lässt sich nun klar sagen, dass es in größeren Entfernungen, als das Universum also jünger war, häufiger zur Kollision Schwarzer Löcher kam. Auch das ist ein Indiz für die Entwicklung des Weltalls.

Gute Aussichten

Gegenwärtig werden die Daten von O4b und O4c akribisch ausgewertet. Sie bergen sicherlich Überraschungen und können die bisherigen Statistiken und Grenzwerte weiter präzisieren. Zudem werden die Gravitationswellen-Detektoren gewartet und technisch noch einmal verbessert. Das dürfte ihre Empfindlichkeit abermals steigern – wahrscheinlich sogar beträchtlich.

Während O1 hätte LIGO die Kollision von Neutronensternen in bis zu 260 Millionen Lichtjahre Entfernung messen können, bei O4 waren es schon 500, teils bis zu 570 Millionen. Wenn O5 startet, wohl 2028, könnten es sogar 800 bis 1.000 Millionen Lichtjahre sein. (Eine Kollision Schwarzer Löcher erschüttert die Raumzeit stärker und ist daher noch über wesentlich größere Distanzen nachweisbar.)

Wie das LIGO-Team Mitte Februar bekannt gab, ist vorher noch ein Zwischenlauf geplant (Interimsrun IR1): ab September oder Oktober dieses Jahres für die Dauer von etwa sechs Monaten mit derselben Sensitivität wie O4. Ob Virgo und KAGRA daran teilnehmen, ist noch unklar. (Die Empfindlichkeit von KAGRA, 2020 bei 2 Millionen und 2025 bei 20 Millionen Lichtjahren für Neutronensterne, ist bislang zu gering für Nachweise, soll aber bis 2030 die Sensitivität von LIGOs O1 erreichen.)

Jede Entfernungssteigerung skaliert mit der dritten Potenz, weil das Volumen entsprechend zunimmt – und somit die Zahl der messbaren Ereignisse. Wenn neben Virgo dann auch KAGRA empfindlicher wird und frühestens ab 2030 ein dritter LIGO-Detektor mit vier Kilometer Laserstrahlenstrecke bei Aundha Nagnath im indischen Bundesstaat Maharashtra in Betrieb geht, dessen Bau nun beginnt und etwa 280 Millionen Euro kosten wird, dann kann sich die Lokalisierung einer Gravitationswellen-Quelle am Himmel deutlich verbessern – um mindestens einen Faktor zehn. Das wiederum erhöht die Chance, elektromagnetische Gegenstücke oder Neutrinos von den kosmischen Karambolagen zu erhaschen, falls noch Materie um die Schwarzen Löcher kreist oder aber zwei Neutronensterne oder ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch miteinander kollidieren. Wie im Alltag ist es auch im All-Tag von unschätzbarem Vorteil, wenn man ein Ereignis nicht nur hören, sondern auch sehen kann. ■