Ein internationales Astronomenteam hat einen entdeckt schwaches Signal von Gravitationswellen, die durch das Universum hallen. Durch die Nutzung toter Sterne als riesiges Netzwerk von Gravitationswellendetektorendie Zusammenarbeit – genannt NANOGrav– war in der Lage, ein niederfrequentes Summen aus einem Chor von Wellen der Raumzeit zu messen.
Ich bin ein Astronom der studiert und darüber geschrieben hat Kosmologie, Schwarze Löcher Und Exoplaneten. Ich habe das recherchiert Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher mit dem Hubble-Weltraumteleskop.
Obwohl sich die Mitglieder des Teams hinter dieser neuen Entdeckung noch nicht sicher sind, vermuten sie stark, dass das Hintergrundsummen der von ihnen gemessenen Gravitationswellen durch unzählige alte Verschmelzungsereignisse supermassiver Schwarzer Löcher verursacht wurde.
Pulsare sind rotierende tote Sterne, die starke Strahlungsstrahlen aussenden und als genaue kosmische Uhren verwendet werden können.
Verwendung toter Sterne für die Kosmologie
Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die durch massive, sich beschleunigende Objekte verursacht werden. Albert Einstein sagte ihre Existenz in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie voraus, in der er die Hypothese aufstellte, dass eine Gravitationswelle, wenn sie durch den Raum wandert, den Raum schrumpfen und dann periodisch ausdehnen lässt.
Forscher entdeckten erstmals 2015 direkte Hinweise auf Gravitationswellen, als das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, bekannt als LIGO, ein Signal von a auffing Paar verschmelzender Schwarzer Löcher das 1,3 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt hatte, um die Erde zu erreichen.
Die NANOGrav-Kollaboration versucht ebenfalls, Raumzeitwellen zu erkennen, allerdings auf interstellarer Skala. Das Team verwendete Pulsare, schnell rotierende tote Sterne, die einen Strahl von Radioemissionen aussenden. Pulsare ähneln funktional einem Leuchtturm – während sie sich drehen, können ihre Strahlen über die Erde streichen regelmäßige Abstände.
Das NANOGrav-Team verwendete Pulsare drehen sich unglaublich schnell– bis zu 1.000 Mal pro Sekunde – und diese Impulse können wie das Ticken einer Uhr zeitlich gesteuert werden äußerst genaue kosmische Uhr. Wenn Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit an einem Pulsar vorbeistreichen, dehnen sich die Wellen geringfügig aus und verringern den Abstand zwischen dem Pulsar und der Erde, wodurch sich die Zeit zwischen den Ticks geringfügig verändert.
Pulsare sind so genaue Uhren, dass ihr Ticken mit einer Genauigkeit von 100 Nanosekunden gemessen werden kann. Damit können Astronomen die Entfernung zwischen einem Pulsar und der Erde aufs Genaueste berechnen 100 Fuß (30 Meter). Gravitationswellen verändern den Abstand zwischen diesen Pulsaren und der Erde um mehrere zehn Kilometer, wodurch Pulsare leicht empfindlich genug sind, um diesen Effekt zu erkennen.
Ein Summen in der Kakophonie finden
Das erste, was das NANOGrav-Team tun musste, war die Kontrolle für Rauschen in seinem kosmischen Gravitationswellendetektor. Dazu gehörten Rauschen in den verwendeten Radioempfängern und subtile Astrophysik, die das Verhalten von Pulsaren beeinflussen. Selbst unter Berücksichtigung dieser Effekte war der Ansatz des Teams nicht empfindlich genug, um Gravitationswellen zu erkennen einzelne supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern. Allerdings verfügte es über genügend Empfindlichkeit, um die Summe aller massiven Verschmelzungen Schwarzer Löcher zu erfassen, die seit dem Urknall irgendwo im Universum stattgefunden haben – bis zu einer Million überlappender Signale.
In einer musikalischen Analogie ist es so, als ob man in einer geschäftigen Innenstadt steht und irgendwo in der Ferne den leisen Klang einer Symphonie hört. Aufgrund des Lärms der Autos und der Menschen um einen herum kann man kein einziges Instrument erkennen, aber man hört das Summen von hundert Instrumenten. Das Team musste die Signatur dafür herausfinden Gravitationswelle „Hintergrund“ von anderen konkurrierenden Signalen.
Das Team konnte diese Symphonie entdecken, indem es 15 Jahre lang ein Netzwerk aus 67 verschiedenen Pulsaren vermaß. Wenn eine Störung im Ticken eines Pulsars auf Gravitationswellen aus dem fernen Universum zurückzuführen wäre, wären alle Pulsare, die das Team beobachtete, in ähnlicher Weise betroffen. Am 28. Juni 2023 veröffentlichte das Team vier Papiere beschreibt sein Projekt und die Beweise, die es für den Gravitationswellenhintergrund gefunden hat.
Das von der NANOGrav-Kollaboration gefundene Brummen entsteht durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern, die milliardenfach massereicher sind als die Sonne. Diese Schwarzen Löcher drehen sich sehr langsam umeinander und erzeugen dabei Gravitationswellen Frequenzen von einem Milliardstel Hertz. Das bedeutet, dass die Raumzeitwellen alle paar Jahrzehnte eine Schwingung aufweisen. Diese langsame Schwingung der Welle ist der Grund, warum sich das Team auf die unglaublich genaue Zeitmessung von Pulsaren verlassen musste.
Diese Gravitationswellen unterscheiden sich von den Wellen, die LIGO erkennen kann. LIGOs Signale entstehen, wenn zwei Schwarze Löcher entstehen 10- bis 100-fache Sonnenmasse verschmelzen zu einem sich schnell drehenden Objekt und erzeugen Gravitationswellen, die hunderte Male pro Sekunde schwingen.
Wenn Sie sich Schwarze Löcher als Stimmgabel vorstellen, gilt: Je kleiner das Ereignis, desto schneller schwingt die Stimmgabel und desto höher ist die Tonhöhe. LIGO erkennt Gravitationswellen, die im hörbaren Bereich „klingeln“. Das NANOGrav-Team hat bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern einen „Ring“ mit einer Frequenz gefunden, die milliardenfach zu niedrig ist, um gehört zu werden.
Riesige Schwarze Löcher im frühen Universum
Astronomen interessieren sich seit langem für die Untersuchung der Entstehung von Sternen und Galaxien nach dem Urknall. Diese neue Entdeckung des NANOGrav-Teams ist, als würde man dem Bild des frühen Universums, das gerade erst zu entstehen beginnt, eine weitere Farbe – Gravitationswellen – hinzufügen, was zu einem großen Teil dem James-Webb-Weltraumteleskop zu verdanken ist.
Ein wesentliches wissenschaftliches Ziel der James Webb-Weltraumteleskop soll Forschern dabei helfen, die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien nach dem Urknall zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde James Webb entwickelt, um das schwache Licht von unglaublich weit entfernten Sternen und Galaxien zu erkennen. Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto länger braucht das Licht, um zur Erde zu gelangen. James Webb ist also praktisch eine Zeitmaschine, die über 13,5 Milliarden Jahre zurückblicken kann, um Licht von der Erde zu sehen erste Sterne und Galaxien im Universum.
Es war sehr erfolgreich bei der Suche, gefunden zu haben Hunderte von Galaxien die in den ersten 700 Millionen Jahren nach dem Urknall das Universum mit Licht durchflutete. Das Teleskop hat auch das entdeckt ältestes Schwarzes Loch im Universum, im Zentrum einer Galaxie gelegen, die nur 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand.
Diese Erkenntnisse stellen bestehende Theorien zur Entwicklung des Universums in Frage.
Es dauert lange eine riesige Galaxie wachsen lassen. Astronomen wissen, dass supermassive Schwarze Löcher im Zentrum jeder Galaxie liegen und eine Masse haben, die proportional zur Masse ihrer Muttergalaxien ist. Das ist bei diesen alten Galaxien mit ziemlicher Sicherheit der Fall das entsprechend massereiche Schwarze Loch in ihren Zentren.
Das Problem besteht darin, dass die Objekte, die James Webb gefunden hat, weitaus größer sind, als die aktuelle Theorie vermuten lässt.
Diese neuen Ergebnisse des NANOGrav-Teams ergaben sich aus der ersten Gelegenheit für Astronomen, den Gravitationswellen des antiken Universums zuzuhören. Die Ergebnisse sind zwar verlockend, sind nicht stark genug, um eine endgültige Entdeckung zu behaupten. Das wird sich wahrscheinlich ändern, da das Team sein Pulsarnetzwerk erweitert hat 115 Pulsare umfassen und dürfte etwa im Jahr 2025 Ergebnisse dieser nächsten Umfrage erhalten. Da James Webb und andere Forscher bestehende Theorien über die Entstehung von Galaxien in Frage stellen, könnte die Möglichkeit, die Ära nach dem Urknall mithilfe von Gravitationswellen zu untersuchen, ein unschätzbares Werkzeug sein.
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