Jedes Jahr verschmelzen Hunderttausende Paare Schwarzer Löcher in einem kosmischen Tanz, der Gravitationswellen in alle Richtungen aussendet. Seit 2015 ermöglichen die großen bodengestützten LIGO-, Virgo- und KAGRA-Interferometer den Nachweis dieser Signale, obwohl nur etwa hundert solcher Ereignisse, ein verschwindend kleiner Bruchteil der Gesamtzahl, beobachtet wurden.
Die meisten Wellen bleiben „ununterscheidbar“, überlagern und addieren sich und erzeugen ein flaches, diffuses Hintergrundsignal, das Wissenschaftler den „stochastischen Gravitationswellenhintergrund“ (SGWB) nennen.
Neue SISSA-Forschung, veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal, schlägt vor, eine Konstellation von drei oder vier Weltrauminterferometern zu verwenden, um den flachen und nahezu perfekt homogenen Hintergrund bei der Suche nach Wellen abzubilden. Diese kleinen Schwankungen, Wissenschaftlern als Anisotropien bekannt, enthalten die Informationen, die zum Verständnis der Verteilung von Gravitationswellenquellen im größten kosmologischen Maßstab erforderlich sind.
Die Forscher sind überzeugt, dass Detektoren der nächsten Generation wie das Einstein-Teleskop und die Laser-Interferometer-Weltraumantenne (LISA) in absehbarer Zeit die direkte Messung des Gravitationswellenhintergrunds ermöglichen werden.
„Die Messung dieser Hintergrundschwankungen, besser bekannt als Anisotropien, wird jedoch weiterhin äußerst schwierig sein, da ihre Identifizierung eine sehr hohe Winkelauflösung erfordert, die Vermessungsinstrumente der aktuellen und der nächsten Generation nicht besitzen“, erklärt Giulia Capurri, Ph. D. Student und Erstautor der Studie.
Capurri, betreut von Carlo Baccigalupi und Andrea Lapi, hat vorgeschlagen, dass dieses Problem durch eine „Konstellation“ von drei oder vier Weltraum-Interferometern im Sonnenorbit überwunden werden könnte, die eine Entfernung abdecken, die ungefähr der zwischen Erde und Sonne entspricht. Mit zunehmendem Abstand erreichen Interferometer eine bessere Winkelauflösung und verbessern ihre Fähigkeit, Quellen von Gravitationswellen zu unterscheiden.
„Eine Konstellation von Weltrauminterferometern, die die Sonne umkreisen, könnte es uns ermöglichen, subtile Schwankungen im Gravitationshintergrundsignal zu sehen, wodurch wir wertvolle Informationen über die Verteilung von Schwarzen Löchern, Neutronensternen und allen anderen Quellen von Gravitationswellen im Universum gewinnen könnten.“ sagt Capriri.
Nach dem Erfolg des Weltraummissionstests des LISA-Projekts gibt es derzeit zwei Vorschläge für die Schaffung weltraumgestützter Interferometerkonstellationen: einen europäischen – das Big Bang Observatory (BBO) und einen japanischen – das Deci-Hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory (DECIGO).
„Dies stellt eine der frühesten Arbeiten dar, die spezifische Vorhersagen über die Größe des stochastischen Hintergrunds von Gravitationswellen durch eine Konstellation von Instrumenten liefert, die die Sonne umkreisen. Zusammen mit weiteren ähnlichen Projekten, deren Einzelheiten zu gegebener Zeit veröffentlicht werden, werden sie von entscheidender Bedeutung sein Entwicklung eines optimalen Designs für zukünftige Beobachtungsinstrumente, von denen wir hoffen, dass sie in den kommenden Jahrzehnten gebaut und in Betrieb genommen werden“, schließt Carlo Baccialupi, Professor für Theoretische Kosmologie an der SISSA.
In der Ära der Multimessenger-Astronomie, die mit bodengestützten Interferometern wie LIGO und Virgo begann, könnte der Gravitationswellenhintergrund den Weg zu einem neuen Verständnis des Universums im großen Maßstab ebnen, wie es bereits mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund geschehen ist .
Mehr Informationen:
Giulia Capurri et al, Suche nach anisotropen stochastischen Gravitationswellenhintergründen mit Konstellationen weltraumgestützter Interferometer, Das Astrophysikalische Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acaaa3