Im sehr frühen Universum war die Physik seltsam. Ein als Inflation bekannter Prozess, bei dem sich das Universum von einem einzigen verschwindend kleinen Punkt zu allem entwickelte, was wir heute sehen, war ein solches Beispiel dieser seltsamen Physik. Jetzt haben Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Pulsar-Timing-Daten aus 15 Jahren gesichtet, um das Aussehen der Physik einzuschränken.
Die Daten aus 15 Jahren stammen vom nordamerikanischen Nanohertz Observatory for Gravitational Waves oder NANOGrav. Ziel von NANOGrav ist es, Gravitationswellen auf unkonventionelle Weise zu erkennen – durch die Betrachtung von Pulsaren. Diese sich schnell drehenden Objekte werden in der Astronomie häufig als „Uhren“ verwendet.
Bereits 1983 entwickelten zwei Astronomen (Ronald Hellings und George Downs) eine Methode, mit der Astronomen eine Reihe dieser Pulsare verwenden konnten, um nach Verschiebungen zu suchen, die Gravitationswellen verursachen könnten.
In neueren Arbeiten konnten Pulsar-Timing-Arrays (PTAs) wie NANOGrav erfolgreich eine spezifische Variante der Gravitationswelle identifizieren, die als stochastischer Gravitationswellenhintergrund (SGWB) bekannt ist. Der SGWB ähnelt im Konzept dem kosmischen Mikrowellenhintergrund – einem gleichmäßigen Leuchten aus dem frühen Universum, das Astronomen als eine Reihe von Mikrowellen sehen können, die gleichzeitig aus allen Richtungen kommen.
Im Fall von SGWB kommen Gravitationswellen aus allen Richtungen gleichzeitig und nicht Mikrowellen. Und ihre Raumzeitverzerrung ist erkennbar, wenn Astronomen die richtigen Pulsare genau genug beobachten. Einige der Ursachen dieser Verzerrung reichen bis in die Inflationsperiode des Universums zurück.
Bildnachweis: Universe Today
Eine bestimmte Version der Inflation scheint gut zum SGWB-Modell zu passen. Diese als „Ultra-Slow-Roll“-Inflation (USR) bekannte Art der Inflation musste im frühen Universum gegen die Reibungskräfte ankämpfen, und das Ergebnis ist eine Reihe verklumpter Materie, die die Quelle der SGWB-Signale von NANOGrav ist und andere Pulsar-Timing-Array-Experimente sind zu sehen.
Es gibt jedoch möglicherweise andere Erklärungen dafür, woher diese Signalquelle kommen könnte. Als weitere potenzielle Quelle für die Ergebnisse der PTAs wurde insbesondere die Idee eines spiralförmigen Doppelsternsystems aus supermassereichen Schwarzen Löchern vorgeschlagen.
Bo Mu und seine Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat einen Aufsatz veröffentlicht auf dem Preprint-Server arXiv Das scheint die Frage beantwortet zu haben, woher die Hintergrundgravitationswellen kommen.
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Dazu nutzten sie rund 15 Jahre Daten, die von NANOGrav erstellt und an den Teleskopen des Konsortiums gesammelt wurden. Dem Papier zufolge passen die erwarteten Wellen der USR-Inflation besser zu den über diesen langen Zeitraum gesammelten Daten als die Doppelsterne der Schwarzen Löcher oder ein anderes Konzept, das als „Blasenkollision des kosmologischen Phasenübergangs“ bekannt ist.
Die Anpassung von Daten an Modelle gehört zu den wichtigsten Arbeiten in der theoretischen Physik. Dieses Papier ist ein Schritt in die richtige Richtung, um die neue Physik der Gravitationswellen zu verstehen. Vorausgesetzt, dass es den Peer-Review-Prozess übersteht, werden ihm wahrscheinlich zahlreiche weitere folgen, beispielsweise eine detaillierte Beschreibung, woher der Hintergrund dieser wunderbaren Welt der neu entdeckten Gravitationswellen kommt.
Mehr Informationen:
Bo Mu et al., Einschränkungen der extrem langsamen Inflation mit dem NANOGrav 15-Jahres-Datensatz, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2310.20564