Numerische Relativitätstheorie für GW-Beobachtungen

Es wird erwartet, da mit dem derzeit operierenden Netzwerk erdgestützter Gravitationswellendetektoren innerhalb weniger Jahre Gravitationswellen (GW) direkt nachgewiesen werden können. Eine der vielversprechendsten Quellen solcher Signale ist das Verschmelzen schwarzer Löcher (SL). Der Nachweis der entsprechenden Wellenform im Rauschen des Detektor-Signals erfolgt mittels der Technik des ``Optimalen Filterns`` mit einem Katalog theoretischer Wellenformen. Die Berechnung dieser theoretischen Signals entsprechend Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verlangt die numerische Lösung der Einsteingleichungen am Computer. Genau das ist der Gegenstand dieses Projekts. Numerische Simulationen von SL-Binärsysthemen wurden erstmals erst im Jahr 2005 möglich, seither konnten jedoch bereits eine Vielzahl von wichtigen Resultaten für die Mathematische Relativitätstheorie, die Physik von SL und die Astrophysik von Galaxien gewonnen werden. Nur wenige dieser Simulationen wurden jedoch mit dem Ziel des Nachweises von GW durchgeführt. Ich war an vielen dieser Simulationen beteiligt, und in diesem Projekt plane ich, mit der Hilfe je eines Doktoranden und Post-Doktoranden, diese Studien auf ein ausreichend vollständiges System von Wellenformen auszudehnen, sodaß alle möglichen quasi-zirkuläres Kon?gurationen von SL- Binärsystemen beschrieben werden können. Das zentrale Ziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines analytischen Modells für die unmittelbare Verwendung in der Daten-Analyse. Ein derart konstruierter Katalog von Wellenformen wird sowohl die Entdeckung von Signalen wesentlich erleichtern, als auch eine genaue Bestimmung der physikalischen Parameter der Quelle ermöglichen. Ich habe bereits wichtige Vorarbeiten leisten können, die diesem Projekt ein solides Fundament bieten, insbesondere auch seit ich im September diesen Jahres mit dem Lise-Meitner Programm an die Universität Wien gekommen bin. Die Einbindung eines Doktoranden und eines Post-Doktoranden wird entscheidend mithelfen, das gesteckte Ziel zu erreichen - die Konstruktion einer vollständigen analytischen Familie von Wellenformen für SL- Binärsysteme, zeitgerecht für die Inbetriebnahme der zweiten Generation von Gravitationswellendetektoren in einigen Jahren.

Wir berechnen einen der heftigsten Prozesse im Universum seit dem "Big Bang": die Verschmelzung von Schwarzen Löchern (SL). Ziel der Simulationen ist die direkte Beobachtung der Gravitationswellen (GW), die bei der Verschmelzung SL abgestrahlt werden. GW sind Vibrationen der Raumzeit, die von Einsteins allgemeiner Relativitäts-theorie vorhergesagt werden. Sie werden durch beschleunigte Massen erzeugt und sind viel schwächer als elektromagnetische Wellen von denen unser gesamtes Wissen über den Kosmos stammt. Die Beobachtung von GW wird uns ein neues Fenster zum Universum öffnen das auch über seine `dunkle Seite` Auskunft geben wird. Die erste Beobachtung von GW mit einem Netzwerk von Gravitationswellendetektoren, bestehend aus den Amerikanischen LIGO und den europäischen Virgo und GEO600, wird in den nächsten Jahren erwartet. Die Identifizierung der Signatur einer GW Wellenform in verrauschten Detektor Daten benötigt einen Vergleich mit einem Satz von theoretischen Wellenformen. Die einzige Art und Weise diese GW Wellenformen zu berechnen ist, die Einsteingleichungen auf Supercomputern zu lösen. In diesem Projekt haben wir GW Signale von SL Binärsystemen mit verschiedenen Massen und Spins berechnet. Diese Wellenformen werden uns erlauben ein verbessertes phänomenologisches analytisches Modell des GW Signals zu bauen, dass die Wahrscheinlichkeit der Beobachtung dramatisch erhöhen wird und es erlauben wird, genaue Schätzungen der Parameter der GW Quelle zu erhalten. SL Binärsysteme die nicht von anderen massiven Objekten gestört werden beginnen mit einer sehr exzentrischen Umlaufbahn von ihrer Geburt durch Supernova Explosionen. Über Milliarden von Jahren wird ihre Umlaufbahn mehr und mehr kreisförmig und die SL kommen einander näher und näher unter der Aussendung von GW. Bei den sehr kleinen Abständen (~10 Schwarzschildradien) wo wir numerische Simulationen starten ist die Umlaufbahn fast wie ein Kreis aber die SL kommen einander weiter näher, strahlen immer stärkere GW aus und verschmelzen schließlich in ein einziges SL. Wir haben eine neue Methode konstruiert um die Anfangsgeschwindigkeiten der SL zu bestimmen, sodass sie fast kreisförmig einspiralen und haben abgeschätzt wie groß der Fehler in diesen Geschwindigkeiten sein darf ohne dass das GW Signal mit ungewünschten Oszillationen durch Exzentrizität verschmutzt wird.