TRR 7:  Gravitationswellenastronomie: Methoden - Quellen - Beobachtungen

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5485423

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Thema “Gravitationswellenastronomie” steht für das ehrgeizige Forschungsvorhaben, die bisherige, auf der Analyse elektromagnetischer Strahlung basierende Astronomie durch die Untersuchung kosmischer Gravitationswellensignale zu bereichern und damit eine weitere fundamentale Naturkraft für die astronomische Beobachtung nutzbar zu machen. Dieses neue Fenster zum Universum wird bald ganz erheblich zum Verständnis so wichtiger kosmischer Phänomene wie Supernovaexplosionen, Verschmelzen massiver Doppelsterne oder Kollaps zum Schwarzen Loch beitragen und viele der damit verbundenen physikalischen Prozesse überhaupt erst verständlich machen. Gravitationswellenastronomie ist ein Teilbereich der Einsteinschen Gravitationstheorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie, die sich bei ihren Anwendungen in Astrophysik, Kosmologie, Himmelsmechanik und Astronomie bestens bewährt hat. Das zentrale Anliegen des Sonderforschungsbereiches/Transregio 7 (SFB/TR7) war das theoretische und experimentelle Studium der Gravitationswellen und ihrer kosmologischen Quellen. Der SFB/TR7 spielte international eine führende Rolle bei den großen theoretischen Anstrengungen, die die experimentelle Entwicklung zwangsläufig begleiten müssen. In die vom Experiment benötigte Voraussage der Signalformen gehen die physikalischen Modelle der kosmischen Gravitationstrahlungsquellen ein und ermöglichen die Suche nach den Signalen im Rauschen der Detektoren. Andererseits müssen aus den empfangenen Signalen Rückschlüsse auf die Physik der kosmischen Quellen erarbeitet werden. Beides setzt eine enge Zusammenarbeit von theoretischen Physikern und Experimentalphysikern voraus und begründet die Notwendigkeit einer effizienten “Scientific Community” im Umkreis der Gravitationswellendetektoren. Die direkte Registrierung von Gravitationswellensignalen stellt höchste Anforderungen an die experimentelle Technik und ist bisher noch nicht gelungen. Der SFB/TR7 war für das wissenschaftliche Umfeld, nicht aber für die Finanzierung von Gravitavitionswellendetektoren konzipiert worden angesichts der Tatsache, dass solche Detektoren im Rahmen existierender internationaler Kollaborationen geplant und realisiert wurden, insbesondere die großen Laser-Interferometer LIGO (USA), VIRGO (Italien/Frankreich), GEO600 (Deutschland/Großbritannien) und TAMA (Japan). Die Arbeit des SFB/TR7 war von 2003-2014 eng verbunden mit der ersten Detektorgeneration, inbesondere GEO600 und LISA. Darüber hinaus wurden im SFB/TR7 wichtige Beiträge zu Wissenschaft und Technologie der zweiten, und sogar der dritten Generation von Gravitationswellendetektoren geleistet. Somit wurde zum Auslaufen des SFB/TR7 Ende 2014 der Grundstein für die Gravitationswellenastronomie mit Advanced LIGO und VIRGO gelegt, die 2015 und 2016 den Betrieb aufnehmen werden. Basierend auf der prognostizierten, um ein Vielfaches höheren Empfindlichkeit der neuen Detektoren ist mit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre zu rechnen. Zur Realisierung des Forschungszieles arbeiteten experimentelle und theoretische Physiker, Astrophysiker und Mathematiker der Universitäten Jena, Tübingen und Hannover sowie der Max-Planck-Institute für Gravitationsphysik in Potsdam/Hannover und für Astrophysik in Garching eng zusammen. Der SFB/TR7 hat sein Ziel erreicht, in Deutschland eine Scientific Community aufzubauen, die zu den internationalen Anstrengungen erfolgreich beitragen und auch von ihnen profitieren kann. Die koordinierte Zusammenarbeit von 80 Wissenschaftlern (davon circa 30 Stellen durch den SFB/TR7 geschaffen) hatte einen sehr positiven Effekt auf den wissenschaftlichen Nachwuchs in Deutschland. Sie ermöglichte den deutschen Universitäten, Spitzenkräfte für das attraktive und erfolgversprechende Gebiet der Gravitationsphysik und speziell der Relativistischen Astrophysik auszubilden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Toward gravitational wave signals from realistic core-collapse supernova models, Astrophys. J. 603, 221 (2004)
  E. Müller, M. Rampp, R. Buras, H.-Th. Janka, and D. H. Shoemaker
  
• Trapped surfaces as boundaries for the constraint equations, Class. Quantum Grav. 21, 555-573 (2004)
  S. Dain
  
• On the black hole limit of rotating fluid bodies in equilibrium, Class. Quant. Grav. 23, 1359 (2006)
  R. Meinel
  
• Torus formation in neutron star mergers and well-localized short gamma-ray bursts, Mon. Not. R. Astron. Soc. 368, 1489 (2006)
  R. Oechslin and H.-Th. Janka
  
• Generic gravitational wave signals from the collapse of rotating stellar cores, Phys. Rev. Lett. 98, 251101 (2007)
  H. Dimmelmeier, C. Ott, H.-Th. Janka, A. Marek, and E. Müller
  
• Gravitational waves from relativistic neutron star mergers with microphysical equations of state, Phys. Rev. Lett. 99, 121102 (2007).
  R. Oechslin and H.-Th. Janka
  
• Total recoil: The maximum kick from nonspinning black-hole binary inspiral, Phys. Rev. Lett. 98, 091101 (2007)
  J. A. Gonzalez, U. Sperhake, B. Brügmann, M. Hannam and S. Husa
  
• A Template bank for gravitational waveforms from coalescing binary black holes. I. Non-spinning binaries, Phys. Rev. D 77, 104017 (2008)
  P. Ajith, S. Babak, Y. Chen, M. Hewitson, B. Krishnan, A. M. Sintes, J. T. Whelan, B. Brügmann, P. Diener, N. Dorband, J. A. Gonzalez, M. Hannam, S. Husa, D. Pollney, L. Rezzolla, L. Santamar´ıa, U. Sperhake, and J. Thornburg
  
• Calibration of Moving Puncture Simulations, Phys. Rev. D77, 024027 (2008)
  B. Brügmann, J. A. Gonzalez, M. Hannam, S. Husa, U. Sperhake and W. Tichy
  
• Effective one body approach to the dynamics of two spinning black holes with next-to-leading order spin-orbit coupling, Phys. Rev. D 78, 024009 (2008)
  T. Damour, P. Jaranowski, and G. Schäfer
  
• Measurement of a low-temperature mechanical dissipation peak in a single layer of Ta2O5 doped with TiO2, Class. Quantum Grav. 25, 055005 (2008)
  I. Martin, H. Armandula, C. Comtet, M. M. Fejer, A. Gretarsson, G. Harry, J. Hough, J. M. M. Mackowski, I. MacLaren, C. Michel, J. L. Montorio, N. Morgado, R. Nawrodt, S. Penn, S. Reid, A. Remillieux, R. Route, S. Rowan, C. Schwarz, P. Seidel, W. Vodel, A. Zimmer
  
• Canonical formulation of self-gravitating spinning-object systems, Europhys. Lett. 87, 50004 (2009)
  J. Steinhoff and G. Schäfer
  
• Finite element, discontinuous Galerkin, and finite difference evolution schemes in spacetime, Class. Quantum Grav. 26, 175011 (2009)
  G. Zumbusch
  
• Unambiguous Determination a of Gravitational Waveforms from Binary Black Hole Mergers, Phys. Rev. Lett. 103, 221101 (2009)
  C. Reisswig, N. T. Bishop, D. Pollney, and B. Szilagyi
  
• Full-analytic frequency-domain first-post-Newtonian-accurate gravitational wave forms from eccentric compact binaries, Phys. Rev. D 82, 124064 (2010)
  M. Tessmer and G. Schäfer
  
• Symplectic Integration of Post-Newtonian Equations of Motion with Spin, Phys. Rev. D 81, 104025 (2010)
  C. Lubich, B. Walther and B. Brügmann
  
• Bayesian timing analysis of giant flare of SGR 180620 by RXTE PCA, A&A 528, 45 (2011)
  V. Hambaryan, R. Neuäuser and K. D. Kokkotas (Eds.)
  
• Enhanced angular tolerance of resonant waveguide grating reflectors, Opt. Lett. 36, 537 (2011)
  S. Kroker, F. Brückner, E.-B. Kley, and A. Tünnermann
  
• f-mode instability in relativistic neutron stars, Phys. Rev. Lett. 107, 101102 (2011)
  E. Gaertig, K. Glampedakis, K. D. Kokkotas, B. Zink
  
• Hydromagnetic Instabilities in Neutron Stars, ApJ, 73 5, L20 (2011)
  P. D. Lasky, B. Zink, K. D. Kokkotas, K. Glampedakis
  
• Neutron star stiff equation of state derived from cooling phases of the X-ray burster 4U 1724-307, ApJ, 742, 122 (2011)
  V. Suleimanov, J. Poutanen, M. Revnivtsev, and K. Werner
  
• Phase resolved spectroscopic study of the isolated neutron star RBS 1223 (1RXS J130848.6+212708), A&A, 534, A74 (2011)
  V. Hambaryan, V. Suleimanov, A. D. Schwope, R. Neuhäuser, K. Werner, A. Y. Potekhin
  
• Reflective cavity couplers based on resonant waveguide gratings, Opt. Express 19, 16466 (2011)
  S. Kroker, F. Brückner, E.-B. Kley, A. Tünnermann
  
• The Missing Link: Merging Neutron Stars Naturally Produce Jet-like Structures and Can Power Short Gammaray Bursts, Astrophys. J. Lett. 732 L6, (2011)
  L. Rezzolla, B. Giacomazzo, L. Baiotti, J. Granot, C. Kouveliotou, and M. A. Aloy
  
• Waveguide grating mirror in a fully suspended 10 meter Fabry-Perot cavity, Opt. Express 19, 14955 (2011)
  D. Friedrich, B. W. Barr, F. Brückner, S. Hild, J. Nelson, J. Mcarthur, M. V. Plissi, M. P. Edgar, S. H. Huttner, B. Sorazu, S. Kroker, M. Britzger, E.-B. Kley, K. Danzmann, A. T. K. A. Strain, and R. Schnabel.unnermann, K. A. Strain, and R. Schnabel
  
• Accuracy of numerical relativity waveforms from binary neutron star mergers and their comparison with post-Newtonian waveforms, Phys. Rev. D 85, 104030 (2012)
  S. Bernuzzi, M. Thierfelder and B. Brügmann
  
• Equation-of-state dependence of the gravitational-wave signal from the ring-down phase of neutron-star mergers, Phys. Rev. D 86, 063001 (2012)
  A. Bauswein, H.-Th. Janka, K. Hebeler, A. Schwenk
  
• Low-frequency gravitational-wave science with eLISA/NGO, Class. Quant. Grav. 29, 124016 (2012)
  P. Amaro-Seoane, S. Aoudia, S. Babak, P. Bin´etruy, E. Berti, A. Boh´e, C. Caprini, M. Colpi, N. J. Cornish, K. Danzmann, J.-F. Dufaux, J. Gair, O. Jennrich, P. Jetzer, A. Klein, R. N. Lang, A. Lobo, T. Littenberg, S. T. McWilliams, G. Nelemans, A. Petiteau, E. K. Porter, B. F. Schutz, A. Sesana, R. Stebbins, T. Sumner, M. Vallisneri, S. Vitale, M. Volonteri, H. Ward
  
• On the Detectability of Dual Jets from Binary Black Holes, Astrophys. J. Lett. 749, L32 (2012)
  P. Moesta, D. Alic, L. Rezzolla, O. Zanotti, and C. Palenzuela
  
• Parametrized 3D models of neutrino-driven supernova explosions: Neutrino emission asymmetries and gravitational wave signals, Astron. Astrophys. 537, A63 (2012)
  E. Müller, H.-Th. Janka, and A. Wongwathanarat
  
• Calculation of thermal noise in grating reflectors, Phys. Rev. D88, 042001 (2013)
  D. Heinert, S. Kroker, D. Friedrich, S. Hild, E.-B. Kley, S. Leavey, I. W. Martin, R. Nawrodt, A. Tünnermann, S. P. Vyatchanin and K. Yamamoto
  
• Compact binary evolutions with the Z4c formulation, Phys. Rev. D 88, 084057 (2013)
  D. Hilditch, S. Bernuzzi, M. Thierfelder, Z. Cao, W. Tichy and B. Brügmann
  
• First Long- Term Application of Squeezed States of Light in a Gravitational-Wave Observatory, Phys. Rev. Lett. 110, 181101 (2013)
  H. Grote, K. Danzmann, K. L. Dooley, R. Schnabel, J. Slutsky and H. Vahlbruch
  
• High efficiency two-dimensional grating reflectors with angularly tunable polarization efficiency, Appl. Phys. Lett. 102, 161111 (2013)
  S. Kroker, T. Käsebier, S. Steiner, E.-B. Kley, A. T¨ unnermann
  
• Indication for dominating surface absorption in crystalline silicon test masses at 1550 nm, Class. Quantum Grav. 30, 165001 (2013)
  A. Khalaidovski, J. Steinlechner, R. Schnabel
  
• Investigation of mechanical losses of thin silicon flexures at low temperatures, Class. Quantum Grav. 30, 115008 (2013)
  R. Nawrodt, C. Schwarz, S. Kroker, I. W. Martin, R. Bassiri, F. Br¨ uckner, L. Cunningham, G. D. Hammond, D. Heinert, J. Hough, T. K¨asebier, E.-B. Kley, R. Neubert, S. Reid, S. Rowan, P. Seidel, A. T¨
  
• Axisymmetric fully spectral code for hyperbolic equations, J. Comput. Phys. 276, 357 (2014)
  R. P. Macedo and M. Ansorg
  
• Coherent cancellation of backaction noise in optomechanical force measurements, Phys. Rev. A 89, 053836 (2014)
  M. H. Wimmer, D. Steinmeyer, K. Hammerer, and M. Heurs
  
• Nonlocal-in-time action for the fourth post-Newtonian conservative dynamics of two-body systems, Phys. Rev. D 89, 064058 (2014)
  T. Damour, P. Jaranowski, and G. Schäfer
  
• Search for continuous gravitational waves: improving robustness versus instrumental artifacts, Phys. Rev. D 89, 064023 (2014)
  D. Keitel, R. Prix, M. A. Papa, P. Leaci and M. Siddiqi