Das Entwirren der Heimatgalaxien von Gravitationswellenquellen mit einem neuartigen datengesteuerten Ansatz

• Antragsteller: Dr. Lumen Boco
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555003977

Gravitationswellen (GWs) entstehen durch die Verschmelzung von kompakten Objekt-Binärsystemen, wie Schwarzen Löchern (BHs). Obwohl wir kürzlich damit begonnen haben, GWs zu detektieren, sind wir noch nicht in der Lage, die spezifischen Galaxien zu identifizieren, die die verschmelzenden BHs beherbergen. Die Identifizierung der Heimatgalaxie ist entscheidend, da sie den Weg zur Multi-Messenger-Astrophysik ebnen und sowohl für die Astrophysik als auch für die Kosmologie von großer Bedeutung sein wird. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts, das BLACKHOST genannt wird, ist die Entwicklung einer vollständig empirischen Methode zur statistischen Zuordnung von GW-Quellen zu ihren Heimatgalaxien. Derzeit wird diese Zuordnung mithilfe kosmologischer Simulationen durchgeführt, indem die Eigenschaften simulierter Galaxien analysiert werden, um diejenigen zu identifizieren, die am ehesten BH-Verschmelzungen beherbergen. Die Eigenschaften von Galaxien in Simulationen sind jedoch von Natur aus modellabhängig und basieren auf einer Reihe von Annahmen, Sub-Gitter-Rezepten und anderen Parametern. Im Gegensatz dazu zielt BLACKHOST darauf ab, eine neue datengesteuerte, modellunabhängige Methode zur Zuordnung von Heimatgalaxien zu GWs zu entwickeln. Die neuartige Idee besteht darin, einen „effektiven“ Ansatz zur Galaxienevolution zu entwickeln, der nicht versucht, die kleinräumigen Prozesse in Galaxien zu modellieren, wie dies in Simulationen der Fall ist. Stattdessen schlage ich vor, diese Prozesse zu marginalisieren, indem ihre Gesamtauswirkungen auf die Evolution der Galaxien parametrisiert und die Parameter durch Beobachtungsdaten eingeschränkt werden. Das Ziel des Projekts ist es, die Sternentstehungsrate, Verschmelzungsraten und Quenching-Zeitskalen der Galaxien mithilfe beobachtungsbasierter Relationen und Statistiken zu bestimmen. Diese Methode ermöglicht es, die stellare Massenansammlung von Galaxien mit verschiedenen Massen zu unterschiedlichen Zeiten vorherzusagen. Durch die Besiedlung dieser Galaxien mit stellaren Binärsystemen und die Verfolgung ihrer gleichzeitigen Evolution werde ich jeder beobachteten GW-Ereignis eine Wahrscheinlichkeit zuweisen, eine potenzielle Heimatgalaxie zu sein, was das Ziel des Projekts ist. Das hier entwickelte empirische Modell bietet besondere Vorteile: Robustheit, Unabhängigkeit von Hypothesen und Annahmen sowie beschleunigte Rechenleistung. Die Ergebnisse werden viele astrophysikalische Forschungsfelder beeinflussen, einschließlich der Galaxienevolution, der stellaren und GW-Astronomie sowie der Kosmologie. Das Projekt ist aktuell: Seine datengesteuerte Natur wird ausreichende Flexibilität gewährleisten, um Daten von neuen Instrumenten wie Euclid, LSST und JWST problemlos zu integrieren und seine Vorhersagen zu verfeinern, während sich unsere Beobachtungsmöglichkeiten verbessern. Diese Anpassungsfähigkeit wird sicherstellen, dass dieses Projekt an der Spitze der astrophysikalischen Forschung bleibt.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle