Astrophysiker schlagen eine neue Methode zur Messung der kosmischen Expansion vor: Linsengravitationswellen

Das Universum dehnt sich aus; Wir haben seit etwa einem Jahrhundert Beweise dafür. Aber wie schnell sich Himmelsobjekte voneinander entfernen, ist noch umstritten.

Es ist keine leichte Aufgabe, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich Objekte über große Entfernungen voneinander entfernen. Seit der Entdeckung der kosmischen Expansion wurde ihre Geschwindigkeit mit zunehmender Präzision gemessen und erneut gemessen, wobei einige der neuesten Werte zwischen 67,4 und 76,5 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec liegen, was die Rezessionsgeschwindigkeit (in Kilometer pro Sekunde) mit in Beziehung setzt die Entfernung (in Megaparsec).

Die Diskrepanz zwischen verschiedenen Messungen der kosmischen Expansion wird „Hubble-Spannung“ genannt. Einige haben es eine Krise der Kosmologie genannt. Aber für den theoretischen Astrophysiker Tejaswi Venumadhav Nerella von der UC Santa Barbara und seine Kollegen am Tata Institute of Fundamental Research in Bangalore, Indien, und am Interuniversitären Zentrum für Astronomie und Astrophysik in Pune, Indien, ist es eine aufregende Zeit.

Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015 wurden die Detektoren erheblich verbessert und werden in den kommenden Jahren eine Fülle von Signalen liefern. Nerella und seine Kollegen haben eine Methode entwickelt, diese Signale zu nutzen, um die Expansion des Universums zu messen und vielleicht dabei zu helfen, die Debatte ein für alle Mal beizulegen. „Ein wichtiges wissenschaftliches Ziel zukünftiger Detektoren besteht darin, einen umfassenden Katalog von Gravitationswellenereignissen zu liefern, und dies wird eine völlig neue Nutzung des bemerkenswerten Datensatzes sein“, sagte Nerella, Mitautorin eines in veröffentlichten Artikels Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Messungen der kosmischen Expansionsrate beschränken sich auf Geschwindigkeit und Entfernung. Astronomen verwenden zwei Arten von Methoden, um Entfernungen zu messen: Die erste beginnt mit Objekten mit bekannter Länge („Standardlineale“) und untersucht, wie groß sie am Himmel erscheinen. Diese „Objekte“ sind Merkmale der kosmischen Hintergrundstrahlung oder der Verteilung von Galaxien im Universum.

Eine zweite Klasse von Methoden beginnt mit Objekten bekannter Leuchtkraft („Standardkerzen“) und misst deren Entfernung von der Erde anhand ihrer scheinbaren Helligkeit. Diese Entfernungen sind mit denen weiter entfernter heller Objekte usw. verbunden, wodurch eine Kette von Messschemata entsteht, die oft als „kosmische Entfernungsleiter“ bezeichnet wird. Gravitationswellen selbst können übrigens auch dabei helfen, die kosmische Ausdehnung zu messen, da sich die bei der Kollision von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern freigesetzte Energie zur Abschätzung der Entfernung zu diesen Objekten nutzen lässt.

Die von Nerella und seinen Co-Autoren vorgeschlagene Methode gehört zur zweiten Klasse, nutzt jedoch Gravitationslinsen. Dies ist ein Phänomen, das auftritt, wenn massive Objekte die Raumzeit verzerren und Wellen aller Art krümmen, die sich in der Nähe der Objekte ausbreiten. In seltenen Fällen kann die Linsenwirkung mehrere Kopien desselben Gravitationswellensignals erzeugen, die die Erde zu unterschiedlichen Zeiten erreichen – die Verzögerungen zwischen den Signalen für eine Population mehrerer abgebildeter Ereignisse können den Forschern zufolge zur Berechnung der Expansionsrate des Universums verwendet werden.

„Wir wissen sehr gut, wie empfindlich Gravitationswellendetektoren sind, und es gibt keine astrophysikalischen Verwirrungsquellen, sodass wir richtig erklären können, was in unseren Ereigniskatalog gelangt“, sagte Nerella. „Die neue Methode weist Fehlerquellen auf, die diejenigen bestehender Methoden ergänzen, was sie zu einem guten Diskriminator macht.“

Die Quellen dieser Signale wären binäre Schwarze Löcher: Systeme aus zwei Schwarzen Löchern, die einander umkreisen und schließlich verschmelzen und dabei riesige Energiemengen in Form von Gravitationswellen freisetzen. Wir haben noch keine Beispiele dieser Signale mit starker Linse entdeckt, aber die kommende Generation bodengestützter Detektoren wird voraussichtlich über die erforderliche Empfindlichkeit verfügen.

„Wir erwarten die erste Beobachtung von Linsengravitationswellen in den nächsten Jahren“, sagte der Co-Autor der Studie, Parameswaran Ajith. Darüber hinaus sollten diese zukünftigen Detektoren in der Lage sein, weiter in den Weltraum zu blicken und schwächere Signale zu erkennen.

Die Autoren gehen davon aus, dass diese fortschrittlichen Detektoren im nächsten Jahrzehnt mit der Suche nach verschmelzenden Schwarzen Löchern beginnen werden. Sie gehen davon aus, Signale von einigen Millionen Paaren Schwarzer Löcher aufzuzeichnen, von denen ein kleiner Teil (etwa 10.000) aufgrund der Gravitationslinse mehrmals im selben Detektor auftauchen wird. Die Verteilung der Verzögerungen zwischen diesen wiederholten Erscheinungen kodiert die Hubble-Expansionsrate.

Laut Hauptautor Souvik Jana ist diese Methode im Gegensatz zu anderen Messmethoden nicht darauf angewiesen, die genauen Standorte oder Entfernungen dieser binären Schwarzen Löcher zu kennen. Die einzige Voraussetzung besteht darin, eine ausreichend große Anzahl dieser Linsensignale genau zu identifizieren. Die Forscher fügen hinzu, dass Beobachtungen von Linsengravitationswellen sogar Hinweise auf andere kosmologische Fragen liefern können, etwa zur Natur der unsichtbaren dunklen Materie, die einen Großteil des Energiegehalts des Universums ausmacht.