Wenn Schwarze Löcher und andere enorm massereiche, dichte Objekte umeinander wirbeln, senden sie Wellen in Raum und Zeit aus, die Gravitationswellen genannt werden. Diese Wellen sind eine der wenigen Möglichkeiten, die uns zur Verfügung stehen, um die rätselhaften kosmischen Riesen zu untersuchen, die sie erzeugen.
Astronomen haben das hochfrequente „Zwitschern“ kollidierender Schwarzer Löcher beobachtet, aber das extrem niederfrequente Rumpeln supermassiver Schwarzer Löcher, die einander umkreisen, hat sich als schwieriger zu erkennen erwiesen. Seit Jahrzehnten beobachten wir Pulsare, eine Art Stern, der wie ein Leuchtturm pulsiert, auf der Suche nach den schwachen Wellen dieser Wellen.
Heute gibt es Pulsarforschungskooperationen auf der ganzen Welt – einschließlich unserer Parkes Pulsar Timing Array– kündigte ihre an bisher stärkster Beweis für die Existenz dieser Wellen.
Was sind Gravitationswellen?
Im Jahr 1915 präsentierte der in Deutschland geborene Physiker Albert Einstein einen bahnbrechenden Einblick in die Natur der Schwerkraft: die allgemeine Relativitätstheorie.
Die Theorie beschreibt das Universum als ein vierdimensionales „Gewebe“ namens Raumzeit, das sich dehnen, quetschen, biegen und verdrehen kann. Massive Objekte verzerren dieses Gewebe und erzeugen so die Schwerkraft.
Eine merkwürdige Konsequenz der Theorie ist, dass die Bewegung massiver Objekte in diesem Gewebe Wellen erzeugen sollte, sogenannte Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Es braucht enorm viel Energie, um die kleinsten dieser Wellen zu erzeugen. Aus diesem Grund war Einstein davon überzeugt, dass Gravitationswellen niemals direkt beobachtet werden könnten.
Ein Jahrhundert später wurden Forscher der LIGO- und Virgo-Kollaborationen Zeugen der Kollision zweier Schwarzer Löcher, die einen Ausbruch von Gravitationswellen durch das Universum schickte.
Jetzt, sieben Jahre nach dieser Entdeckung, haben Radioastronomen aus Australien, China, Europa, Indien und Nordamerika Hinweise auf ultraniederfrequente Gravitationswellen gefunden.
Ein langsames Grollen von Gravitationswellen
Im Gegensatz zu dem plötzlichen Ausbruch von Gravitationswellen, über den im Jahr 2016 berichtet wurde, dauert es Jahre oder sogar Jahrzehnte, bis diese ultraniederfrequenten Gravitationswellen oszillieren.
Es wird erwartet, dass sie von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher erzeugt werden, die die Kerne entfernter Galaxien im gesamten Universum umkreisen. Um diese Gravitationswellen zu finden, müssten Wissenschaftler einen Detektor von der Größe einer Galaxie bauen.
Oder wir können Pulsare verwenden, die bereits über die Galaxie verteilt sind und deren Impulse mit der Regelmäßigkeit präziser Uhren an unseren Teleskopen eintreffen.
CSIROs Parkes-Radioteleskop, Murriyang, beobachtet seit fast zwei Jahrzehnten eine Reihe dieser Pulsare. Unser Parkes Pulsar Timing Array Team ist eine von mehreren Kooperationen auf der ganzen Welt, die dies getan haben heute bekanntgegeben Hinweise auf Gravitationswellen in ihren neuesten Datensätzen.
Andere Kooperationen in China (CPTA), Europa und Indien (EPTA und InPTA) sowie Nordamerika (NANOGrav) sehen ähnliche Signale.
Das Signal, nach dem wir suchen, ist ein zufälliger „Ozean“ aus Gravitationswellen, die von allen Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher im Universum erzeugt werden.
Die Beobachtung dieser Wellen ist nicht nur ein weiterer Triumph von Einsteins Theorie, sondern hat auch wichtige Konsequenzen für unser Verständnis der Geschichte der Galaxien im Universum. Supermassereiche Schwarze Löcher sind die Motoren im Herzen von Galaxien, die sich von Gas ernähren und die Sternentstehung regulieren.
Das Signal erscheint als niederfrequentes Rumpeln, das allen Pulsaren im Array gemeinsam ist. Wenn die Gravitationswellen über die Erde strömen, beeinflussen sie die scheinbare Rotationsgeschwindigkeit der Pulsare.
Die Dehnung und Stauchung unserer Galaxie durch diese Wellen verändert letztendlich die Entfernungen zu den Pulsaren um nur einige Dutzend Meter. Das ist nicht viel, wenn die Pulsare typischerweise etwa 1.000 Lichtjahre entfernt sind (das sind etwa 10.000.000.000.000.000.000 Meter).
Bemerkenswerterweise können wir diese Verschiebungen in der Raumzeit als Verzögerungen der Pulse im Nanosekundenbereich beobachten, die Radioastronomen relativ einfach verfolgen können, da Pulsare so stabile natürliche Uhren sind.
Was wurde angekündigt?
Da die Schwingung der ultraniederfrequenten Gravitationswellen Jahre dauert, wird erwartet, dass das Signal langsam entsteht.
Zunächst beobachteten Radioastronomen a gemeinsames Grollen in den Pulsaren, aber sein Ursprung war unbekannt.
Jetzt beginnt der einzigartige Fingerabdruck der Gravitationswellen als Attribut dieses Signals aufzutauchen, das von jeder der Pulsar-Timing-Array-Kollaborationen auf der ganzen Welt beobachtet wird.
Dieser Fingerabdruck beschreibt eine besondere Beziehung zwischen der Ähnlichkeit der Pulsverzögerungen und dem Trennungswinkel zwischen Pulsarpaaren am Himmel.
Der Zusammenhang entsteht, weil die Raumzeit auf der Erde gedehnt wird und sich die Abstände zu Pulsaren abhängig von ihrer Richtung ändern. Am Himmel nahe beieinander liegende Pulsare zeigen ein ähnlicheres Signal als beispielsweise rechtwinklig getrennte Pulsare.
Der Durchbruch wurde durch verbesserte Technologie in unseren Observatorien ermöglicht. Das Parkes Pulsar Timing Array verfügt dank der auf Murriyang installierten fortschrittlichen Empfänger- und Signalverarbeitungstechnologie über den längsten Datensatz mit hoher Qualität. Diese Technologie hat es dem Teleskop ermöglicht, viele der besten Pulsare zu entdecken, die von Kollaborationen auf der ganzen Welt für die Suche nach Gravitationswellen verwendet werden.
Frühere Ergebnisse unserer Zusammenarbeit und anderer zeigten, dass das von Gravitationswellen erwartete Signal bei Pulsarbeobachtungen fehlte.
Jetzt scheinen wir das Signal relativ deutlich zu sehen. Indem wir unseren langen Datensatz in kürzere „Zeitscheiben“ segmentieren, zeigen wir, dass das Signal mit der Zeit zu wachsen scheint. Die zugrunde liegende Ursache dieser Beobachtung ist unbekannt, aber es könnte sein, dass sich die Gravitationswellen unerwartet verhalten.
Die neuen Beweise für ultraniederfrequente Gravitationswellen sind für Astronomen aufregend. Um diese Signaturen zu bestätigen, müssen die globalen Kooperationen ihre Datensätze kombinieren, was ihre Empfindlichkeit gegenüber Gravitationswellen um ein Vielfaches erhöht.
Die Bemühungen zur Erstellung dieses kombinierten Datensatzes sind derzeit im Gange Internationales Pulsar-Timing-Array Projekt, dessen Mitglieder sich letzte Woche in Port Douglas im hohen Norden von Queensland trafen. Zukünftige Observatorien wie das im Bau befindliche Square Kilometre Array in Australien und Südafrika werden diese Studien in eine reichhaltige Wissensquelle über die Geschichte unseres Universums verwandeln.
Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.