Ein Hintergrundsummen durchdringt das Universum. Wissenschaftler sind auf der Suche nach der Quelle

Aug 04, 2023

Astronomen versuchen nun, den Ursprung einer aufregenden neuen Form von Gravitationswellen zu bestimmen, die Anfang des Jahres angekündigt wurde

Im Juni begann eine neue Ära in der Astronomie mit der offensichtlichen Entdeckung niederfrequenter Gravitationswellen, dem Umgebungssummen von Raumzeitwellen, die das Universum durchdringen. Diese Ankündigung war das Ergebnis einer großen Zusammenarbeit von Forschern auf der ganzen Welt. Gruppen in den USA, Europa, Indien, Australien und China arbeiten jeweils an ihren eigenen ähnlichen Experimenten und bündeln ihre Daten, um das Ergebnis zu verbessern. Da die Beweise für diese noch nie dagewesenen Gravitationswellen nun fest im Griff sind, sammeln all diese unterschiedlichen Teams nun fieberhaft weitere Daten für ein größeres Ziel: genau zu verstehen, woher dieses Hintergrundbrummen wirklich kommt. Viele Experten vermuten, dass das Brummen hauptsächlich von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher herrührt, die sich im allmählichen Prozess der Verschmelzung spiralförmig zusammenschließen – es könnte aber auch von noch seltsameren Quellen stammen, die spannende neue Zweige der Physik darstellen könnten. „Wir stehen ganz am Anfang des Feldes“, sagt Chiara Mingarelli von der Yale University, Teil der von den USA geführten Zusammenarbeit NANOGrav.

Die Ankündigung kam am 28. Juni von NANOGrav und den anderen sogenannten Pulsar Timing Arrays (PTAs), die Radioteleskope verwenden, um die genaue Ankunftszeit der regelmäßigen Blitze von Pulsaren zu verfolgen, schnell rotierenden Neutronensternen, die nach Supernovae zurückbleiben. Mithilfe von Dutzenden von Pulsaren und der Überwachung der Ankunftszeiten von Pulsen mit einer Präzision im Nanosekundenbereich auf dekadischen Zeitskalen können sie Hintergrundgravitationswellen erkennen, die durch unser Sonnensystem wandern. Solche Wellen verkleinern oder vergrößern den Zwischenraum zwischen unserem Planeten und den anvisierten Pulsaren leicht, was zu verräterischen Abweichungen bei den Ankunftszeiten der Pulse führt. Das erstaunliche Ergebnis folgt einer früheren Entdeckungsepoche, die im Jahr 2015 begann, als das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) erstmals Gravitationswellen entdeckte, die von kollidierenden Schwarzen Löchern mit Sternmasse und Neutronensternen erzeugt wurden. LIGO, sein europäisches Gegenstück Virgo und ähnliche Einrichtungen setzen ihre Jagd nach diesen höherfrequenten Gravitationswellen auch heute fort.

Der Beweis für ein Hintergrundbrummen niederfrequenter Gravitationswellen stammt von insgesamt 115 Pulsaren, die über viele Jahre hinweg von mehreren Teams beobachtet wurden. Derzeit werden Anstrengungen unternommen, alle diese Pulsar-Timing-Daten im Rahmen des International Pulsar Timing Array (IPTA) in einem einzigen Datensatz zusammenzufassen, was die Gesamtempfindlichkeit des Datensatzes verbessern wird. „Wir arbeiten gemeinsam daran“, sagt Mingarelli. „Wir haben einen Vertreter von jeder PTA, der mit der Zusammenführung der Daten beginnt.“ Diese gemeinsame Anstrengung läuft bereits seit zwei Jahren, und definitivere Ergebnisse werden voraussichtlich Ende 2023 oder irgendwann im Jahr 2024 vorliegen. „Das wird der empfindlichste Pulsar-Timing-Array-Datensatz sein, der jemals zusammengestellt wurde.“ sagt Nihan Pol von der Vanderbilt University.

Das ambivalente Engagement Chinas, sich den Bemühungen der IPTA anzuschließen, macht die Sache etwas komplizierter. „Sie sind nicht Teil der Vereinbarung für diese Datenveröffentlichung“, sagt Scott Ransom vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Virginia. „In den nächsten Monaten sagen sie vielleicht, dass sie gut mit dem Rest der Community spielen wollen, oder sie gehen vielleicht alleine weiter. Wir wissen es einfach nicht.“ Das chinesische Pulsar Timing Array-Team befindet sich in einer beneidenswerten Lage, da es uneingeschränkten Zugang zum riesigen Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) im Südwesten des Landes hat. FAST ist weitaus empfindlicher als jedes derzeit existierende Radioteleskop und doppelt so leistungsstark wie das Arecibo-Teleskop in Puerto Rico, das 2020 einstürzte. „[FAST] ist viel besser als fast jedes andere [Radio-]Teleskop auf der Welt“, sagte Ransom sagt. „Das ist unglaublich für Pulsare, Punkt.“ Obwohl Chinas PTA beispielsweise nur drei Jahre damit verbracht hat, Pulsare mit FAST zu messen, konnte sie dennoch ähnliche Hinweise auf niederfrequente Gravitationswellen finden, deren Entdeckung NANOGrav 15 Jahre dauerte. Mitglieder des chinesischen PTA-Teams antworteten nicht auf Anfragen von Scientific American nach einem Kommentar.

Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass FAST das Feld dauerhaft dominieren wird. Derzeit ist MeerKAT das nächstbeste Radioteleskop für die Zeitmessung von Pulsaren, eine Sammlung von 64 Antennen in Südafrika, deren eigene Daten zu den aktuellen Bemühungen der IPTA hinzugefügt werden. Ein für Nevada geplantes 2.000-Schalen-starkes Projekt namens DSA-2000 (Deep Synoptic Array) könnte ebenso vielversprechend sein. Ein Viertel seiner Zeit soll NANOGravs Pulsar-Timing-Beobachtungen gewidmet werden. „Das wäre ein großer Segen für unsere Wissenschaft“, sagt Stephen Taylor von der Vanderbilt University, Vorsitzender von NANOGrav. Und das kommende Square Kilometre Array (SKA) in Australien und Südafrika, das bis 2028 über rund 200 Antennen verfügen soll und Tausende weitere folgen sollen, sollte zumindest den Fähigkeiten von FAST entsprechen. „SKA wird genauso empfindlich sein wie FAST oder sogar noch empfindlicher“, sagt Ransom.

Unabhängig von geopolitischen Bedenken sind sich Astronomen auf der ganzen Welt einig in ihrem Wunsch, die Quelle dieses Gravitationswellenbrummens zu finden. Durch das Sammeln und Vergleichen der Zeitangaben von immer mehr Pulsaren hoffen sie, mit der Erstellung einer detaillierteren Karte dieses Hintergrundrauschens am Himmel beginnen zu können. Wenn Paare todesspiralförmiger supermassiver Schwarzer Löcher die Ursache sind, sollten sie irgendwann als „Hotspots“ auf dieser Karte erscheinen. „Es wird eine langsame Auflösung der einzelnen Quellen sein“, sagt Taylor über Jahre hinweg. „Es wird nicht unbedingt ein einziger Aha-Moment sein. Es brennt langsam.“

Wenn solche Hotspots jedoch identifiziert werden können, könnten Astronomen damit beginnen, die Einzelheiten supermassereicher Schwarzer-Loch-Paare zu untersuchen. „Wir könnten herausfinden, wie weit die Doppelsterne voneinander entfernt sind“, sagt Caitlin Witt von der Northwestern University, und auch die Massen der einzelnen Schwarzen Löcher. Andere Teleskope könnten dann möglicherweise die kosmische Umgebung der Schwarzen Löcher untersuchen und untersuchen und möglicherweise mehr über die Rolle dieser Gravitationsriesen beim galaktischen Wachstum und der Entwicklung enthüllen. „Auf einen supermassereichen Schwarzen-Loch-Doppelstern, der von einem PTA aufgenommen wurde, werden alle möglichen elektromagnetischen und Neutrino-Beobachtungen und sogar Fotos dieser Dinge folgen“, sagt Achamveedu Gopakumar vom Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, der Vorsitzender des Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai ist Indisches Pulsar-Timing-Array. „Das wird großartig sein, und darauf freuen wir uns.“

Pol hat in den verfügbaren PTA-Beobachtungen bereits nach solchen Hotspots gesucht, indem er in den Daten nach Anzeichen von Anisotropie gesucht hat – also Anzeichen von Variation und Struktur statt formloser Homogenität. Obwohl statistisch nicht schlüssig, zeigen die Ergebnisse vorläufige Hinweise auf einige Hotspots, beispielsweise einen in Richtung des Virgo-Clusters, einer großen Galaxiengruppe etwa 50 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. „Wir sehen einige interessante Merkmale“, sagt er. „Aber wir brauchen wirklich mehr Daten.“ Bisher scheinen die potenziellen Hotspots mit Himmelsregionen zu korrelieren, in denen in den Datensätzen weniger Pulsare verwendet wurden, was bedeutet, dass die Anisotropie einfach ein Fata Morgana-Artefakt der Datenerfassung sein könnte. „Die Unsicherheiten bei diesen Messungen könnten einfach so groß sein, dass [die potenziellen Hotspots] mit dem Rest des Himmels übereinstimmen“, sagt Pol.

Wenn in den nächsten Jahren keine Anisotropie auftritt, könnte dies auf seltsamere Dinge als Quelle niederfrequenter Gravitationswellen hinweisen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass es sich um Überreste von „Phasenübergängen“ im frühen Universum handelt, die durch die schnelle kosmische Expansion kurz nach dem Urknall verursacht wurden. „Ein Phasenübergang ist wie die Art und Weise, wie kochendes Wasser von einer Flüssigkeit in einen Gaszustand übergeht“, sagt Andrea Mitridate vom Deutschen Elektronensynchrotron (DESY). „Im Topf mit kochendem Wasser bilden sich diese Gasblasen, die sich ausdehnen und kollidieren. Ähnliches könnte im Plasma des Uruniversums passieren.“ Solche Phasenübergänge könnten zu kosmischen Fäden führen, hypothetischen eindimensionalen Energiesehnen, die sich verziehen, brechen und brechen können, während sie sich durch das Universum bewegen und dabei Gravitationswellen erzeugen. Kosmische Strings und andere spekulative Phänomene können noch nicht ausgeschlossen werden, es sei denn, die PTAs beginnen, einzelne Quellen zu erkennen, die auf supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern hinweisen. „Wenn wir in den nächsten 10 Jahren nicht anfangen, einzelne Quellen zu sehen, wird das viele Stirnrunzeln hervorrufen“, sagt Mingarelli.

Andere Jagden nach Gravitationswellen werden Pulsar-Timing-Arrays ergänzen. Neben den laufenden Bemühungen von LIGO und seinesgleichen wird erwartet, dass die Europäische Weltraumorganisation (ESA) in diesem Jahr die Entwicklung ihrer Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA) vorantreibt. Diese Gruppe aus drei Raumsonden wird 2,5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sein und Mitte der 2030er Jahre Laser aufeinander abfeuern, um nach Gravitationswellen zu suchen, die möglicherweise von Paaren Weißer Zwerge stammen, den Überresten der Kerne, die zurückbleiben, wenn Sterne wie unsere Sonne sterben. Möglicherweise sieht LISA sogar die Lichtblitze, die entstehen, wenn supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern schließlich miteinander verschmelzen. „Wir müssen bestätigen, dass supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern tatsächlich innerhalb des Zeitalters des Universums verschmelzen können“, sagt Witt.

Für Gravitationswellenastronomen ist es eine große Freude, wenn all diese Stränge zusammenkommen. Sie haben sich schon so lange gefragt, ob diese Wellen in der Raumzeit, die erstmals vor einem Jahrhundert von Albert Einstein vorhergesagt wurden, nachweisbar wären. Nachdem diese anhaltenden Zweifel so gut wie verdrängt sind, werden die Grenzen eines völlig neuen Bereichs der Astronomie sichtbar. „Es ist eine privilegierte Zeit, in diesem Bereich tätig zu sein“, sagt Taylor. „Es ist ein Goldrausch.“

Jonathan O'Callaghan ist ein preisgekrönter freiberuflicher Journalist, der sich mit Astronomie, Astrophysik, kommerzieller Raumfahrt und Weltraumforschung befasst. Folgen Sie ihm auf Twitter @Astro_Jonny Credit: Nick Higgins

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