Die Gravitationswellenastronomie steckt noch in den Kinderschuhen. Bisher hat es sich auf die energiereichsten und ausgeprägtesten Quellen von Gravitationswellen konzentriert, wie etwa die katastrophalen Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Aber das wird sich ändern, wenn sich unsere Gravitationsteleskope verbessern, und es wird Astronomen ermöglichen, das Universum auf bisher unmögliche Weise zu erforschen.
Obwohl Gravitationswellen viele Ähnlichkeiten mit Lichtwellen aufweisen, besteht ein deutlicher Unterschied darin, dass die meisten Objekte für Gravitationswellen transparent sind. Licht kann von Materie absorbiert, gestreut und blockiert werden, aber Gravitationswellen gehen meistens einfach durch Materie hindurch. Sie können durch die Masse eines Objekts gelinset, aber nicht vollständig blockiert werden. Das bedeutet, dass Gravitationswellen als Werkzeug verwendet werden könnten, um in astronomische Körper zu blicken, ähnlich wie Röntgenstrahlen oder MRIs es uns ermöglichen, in einen menschlichen Körper zu sehen.
Das ist die Idee hinter einer kürzlich durchgeführten Studie, die untersucht, wie Gravitationswellen genutzt werden könnten, um das Innere der Sonne zu untersuchen. Die Sonne ist so unglaublich heiß und dicht, dass Licht sie nicht durchdringen kann. Selbst das im Kern der Sonne erzeugte Licht braucht mehr als 100.000 Jahre, um die Sonnenoberfläche zu erreichen. Unsere einzigen Informationen über das Sonneninnere stammen aus der Helioseismologie, wo Astronomen die Vibrationen der Sonnenoberfläche untersuchen, die durch Schallwellen in der Sonne verursacht werden.
In dieser neuen Studie, jetzt auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server untersucht das Team, wie die Gravitationswellen schnell rotierender Neutronensterne zur Untersuchung der Sonne genutzt werden könnten. Obwohl ein perfekt glattes rotierendes Objekt keine Gravitationswellen erzeugt, tun es asymmetrische rotierende Objekte. Neutronensterne können Verformungen oder bergige Erhebungen aufweisen, die durch ihre innere Hitze oder Magnetfelder verursacht werden. Wenn sich ein solcher Neutronenstern schnell dreht, erzeugt er einen kontinuierlichen Strom von Gravitationswellen. Diese Gravitationswellen sind zu schwach, um von aktuellen Teleskopen beobachtet zu werden, aber die nächste Generation von Gravitationsobservatorien sollte in der Lage sein, sie zu erkennen.
Da Neutronensterne in der Galaxie recht häufig vorkommen, sind einige von ihnen so positioniert, dass die Sonne aus unserer Perspektive vor ihnen vorbeizieht. Von den mehr als 3.000 bekannten Pulsaren sind etwa 500 gute Kandidaten für Gravitationswellenquellen, und von diesen drei ist bekannt, dass sie hinter der Sonne vorbeiziehen. Das Team nutzte die Profile dieser drei Pulsare als Ausgangspunkt.
Da die Sonne für Gravitationswellen durchlässig ist, wirkt sich die Sonne nur durch ihre Gravitationsmasse auf sie aus. Wenn die Wellen durch die Sonne laufen, werden sie ein wenig gravitativ gelinset. Die Stärke der Linsenbildung hängt von der Masse der Sonne und der Verteilung dieser Masse ab. Das Team fand heraus, dass Gravitationswellenbeobachtungen mit geeigneten Messungen das Dichteprofil der Sonne mit einer Genauigkeit von 3 Sigma messen könnten.
Die drei bekannten Pulsare sind wahrscheinlich nur ein winziger Bruchteil der Gravitationswellenquellen, die hinter der Sonne vorbeiziehen. Die meisten Neutronensterne haben eine Spinorientierung, die keine Radioblitze in unsere Richtung lenkt, aber sie könnten dennoch als Gravitationssonden verwendet werden. Es gibt wahrscheinlich Hunderte von schnell rotierenden Neutronensternen, die im Laufe eines Jahres hinter der Sonne vorbeiziehen. Da wir ihre Gravitationswellen beobachten können, sollten sie uns einen hervorragenden Blick in das Innere unseres nächsten Sterns ermöglichen.
Mehr Informationen:
Ryuichi Takahashi et al., Untersuchung des Sonneninneren mit linsenförmigen Gravitationswellen bekannter Pulsare, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2304.08220