Gravitationswellen-Detektoren bereiten sich auf den nächsten Beobachtungslauf vor

Die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration macht Fortschritte auf dem Weg zum Start ihres nächsten Beobachtungslaufs.

Nach drei Jahren Arbeit, in denen die Leistungsfähigkeit der Detektoren verbessert wurde, soll der vierte Beobachtungslauf (O4) am 24. Mai 2023 beginnen. Die Detektoren machen weiterhin Fortschritte in Richtung der für O4 geplanten Empfindlichkeit, und die LIGO-Detektoren sind gerade nach erfolgreicher Inbetriebnahme zum sogenannten Engineering Run (ER15) übergegangen. Dieser muss abgeschlossen werden, bevor der Beobachtungslauf O4 beginnen kann. Virgo wird ebenfalls am Engineering Run teilnehmen, auch wenn die bisher erreichte Empfindlichkeit des Detektors noch nicht den Plänen entspricht. Währenddessen werden im nächsten Monat mindestens in der Hälfte der Zeit Arbeiten zur weiteren Verbesserung fortgesetzt werden. KAGRA wird nicht an ER15 teilnehmen, sondern bis zum Start von O4 weiter an einer Verbesserung der Empfindlichkeit arbeiten.

Ziel dieses gemeinsamen Engineering Run ist es, die verbesserten Instrumente und dabei insbesondere die Systeme, die für die gemeinsame Datenaufnahme des Detektor-Netzwerks erforderlich sind, in Echtzeit zu testen. Die neuesten Verbesserungen der LIGO- und Virgo-Instrumente werden die Detektoren empfindlicher machen, und sie in die Lage versetzen, auch schwächere Gravitationswellen zu erfassen. Das bedeutet auch, dass sie mehr Ereignisse als je zuvor beobachten werden.

Die LIGO-Detektoren sollen mit einer Reichweite von mehr als 160 Megaparsec (Mpc) arbeiten. Virgo wird, um die angestrebte Mindestreichweite von 80 Mpc zu erreichen, zu Beginn oder während des Beobachtungslaufs einen zusätzlichen Zeitraum für technische Überprüfungen und Verbesserungen einplanen. Der genaue Zeitpunkt und die Dauer werden je nach Status des Detektors festgelegt und derzeit noch diskutiert. KAGRA, das mit einer einzigartigen, zukunftsweisenden und anspruchsvollen Detektortechnologie arbeitet, läuft derzeit mit einer für den Beginn von O4 geplanten Mindestreichweite von 1 Mpc und wird daran arbeiten, die Empfindlichkeit gegen Ende von O4 zu verbessern. GEO600, der deutsch-britische Detektor, der während der Upgrades der anderen Instrumente Beobachtungen durchführte, wurde gewartet und wird während des Beobachtungslaufs mit einer Empfindlichkeit von etwa 1,2 Mpc arbeiten. Er wird Wartungslücken der anderen Detektoren füllen und gleichzeitig Technologien für die Zukunft entwickeln. Alle großen Gravitationswellen-Detektoren der Welt nutzen inzwischen Technologien, die bei GEO600 entwickelt und getestet wurden.

Die Forschenden gehen davon aus, dass die Detektoren während des Engineering Runs Gravitationswellen-Ereignisse beobachten. Sollten außergewöhnliche Signalkandidaten (besonders starke Signale, insbesondere wenn sie eine hohe Wahrscheinlichkeit haben, mit einem beobachtbaren elektromagnetischen Signal assoziiert zu sein) auftreten, werden diese der wissenschaftlichen Gemeinschaft über GraceDB (Gravitational-Wave Candidate Event Database) und GCN (General Coordinates Network) zugänglich gemacht und weiter untersucht.

Immer genauere Wellenformmodelle und neuartige Datenanalyse-Methoden, die in den letzten drei Jahren am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik entwickelt wurden, werden entscheidend sein, um die Signale aus dem Datenstrom zu extrahieren, ihre Quellen zu identifizieren und auf ihre astrophysikalischen und kosmologischen Eigenschaften zu schließen.

O4 wird 18 Monate aktive Beobachtungszeit umfassen und wird sich bis ins Jahr 2025 erstrecken. Je nach Bedarf kann eine ein- oder zweimonatige Pause zur Aufrüstung und Wartung der Detektoren den Beobachtungslauf unterbrechen. Die verlängerte Laufzeit wird auch zusätzliche Zeit für die Vorbereitung von Nachrüstungen für die Pause zwischen O4 und O5 ermöglichen und gleichzeitig den wissenschaftlichen Ertrag von O4 erhöhen.

Von der Inbetriebnahme über den Engineering Run zum Beobachtungslauf

Die Detektoren an allen Standorten durchlaufen mehrere Phasen, um ihre Empfindlichkeit zu verbessern und gleichzeitig sicherzustellen, die Datenerfassung zu ermöglichen. Nach Abschluss der Wartungsarbeiten und der Installation der geplanten Upgrades während der Vorinbetriebnahme gehen die Detektoren in die Inbetriebnahmephase über. Während der Inbetriebnahmephase liegt der Schwerpunkt auf der Integration der einzelnen Bestandteile der Upgrades in einen vollständigen Detektor, der so nah wie möglich an der geplanten Empfindlichkeit arbeitet.

Sobald das für die Inbetriebnahme verantwortliche Team mit der Leistung der Detektoren zufrieden ist, geht es in einen Engineering Run über, bei dem das Ziel darin besteht, die höchste Betriebszeit (in der der Detektor zur Datenaufnahme bereit ist) zu erreichen. Schließlich beginnt der eigentliche Beobachtungslauf. Der Übergang zwischen den Phasen ist ein dynamischer Prozess, bei dem viele Faktoren zu den Entscheidungen beitragen, von einer Phase in die nächste zu wechseln.

Gravitationswellen-Observatorien

LIGO wird von der NSF finanziert und von Caltech und MIT betrieben, die das Projekt konzipiert und aufgebaut haben. Die finanzielle Unterstützung für das „Advanced LIGO“-Projekt wurde von der NSF geleitet, wobei Deutschland (Max-Planck-Gesellschaft), das Vereinigte Königreich (Science and Technology Facilities Council) und Australien (Australian Research Council) bedeutende Verpflichtungen übernahmen und beträchtliche Beiträge zu dem Projekt leisteten. Mehr als 1400 Forschende aus aller Welt sind über die LIGO Scientific Collaboration, zu der auch die GEO-Kollaboration gehört, an dem Projekt beteiligt. Weitere Partner sind unter https://ligo.org/partners.php aufgeführt.

Die Virgo-Kollaboration besteht derzeit aus etwa 846 Mitgliedern aus 142 Institutionen in 15 verschiedenen (hauptsächlich europäischen) Ländern. Das European Gravitational Observatory (EGO) beherbergt den Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa in Italien und wird vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, dem Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien und dem National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) in den Niederlanden finanziert. Eine Liste der Gruppen der Virgo-Kollaboration finden Sie unter http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Weiterführende Informationen finden Sie auf der Virgo-Website unter https://www.virgo-gw.eu.

KAGRA ist ein Laserinterferometer mit einer Armlänge von 3 km in Kamioka, Gifu, Japan. Gastinstitution ist das Institute of Cosmic Ray Researches (ICRR) der Universität Tokio, und das Projekt wird vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) mitbetreut. Die KAGRA-Kollaboration besteht aus über 480 Mitgliedern aus 115 Instituten in 17 Ländern und Regionen. Allgemeine Informationen zu KAGRA finden Sie auf der Website https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Ressourcen für Forschende gibt es auf https://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.