Ein Team von Physikern hat eine Methode entwickelt, um Gravitationswellen mit so niedrigen Frequenzen zu erkennen, dass sie die Geheimnisse hinter den frühen Phasen der Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher, den schwersten Objekten im Universum, lüften könnten.
Mit der Methode können Gravitationswellen nachgewiesen werden, die nur einmal alle tausend Jahre schwingen, 100-mal langsamer als alle bisher gemessenen Gravitationswellen.
„Das sind Wellen, die uns aus den entlegensten Winkeln des Universums erreichen und die Ausbreitung des Lichts beeinflussen können“, sagte JEFF DROR, Ph.D., Assistenzprofessor für Physik an der University of Florida und Mitautor der neuen Studie. „Die Untersuchung dieser Wellen aus dem frühen Universum wird uns helfen, ein vollständiges Bild unserer kosmischen Geschichte zu erstellen, analog zu früheren Entdeckungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.“
Dror und sein Co-Autor, Postdoktorand William DeRocco von der University of California, Santa Cruz, veröffentlicht ihre Erkenntnisse in Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Gravitationswellen ähneln Wellen im Weltraum. Wie Schallwellen oder Wellen im Ozean variieren auch Gravitationswellen sowohl in ihrer Frequenz als auch in ihrer Amplitude. Diese Informationen geben Aufschluss über ihren Ursprung und ihr Alter. Gravitationswellen, die uns erreichen, können mit extrem niedrigen Frequenzen schwingen, viel niedriger als die für das menschliche Ohr wahrnehmbaren Schallwellen. Einige der niedrigsten Frequenzen, die in der Vergangenheit entdeckt wurden, lagen bei einem Nanohertz.
„Als Referenz“, erklärte Dror: „Die Frequenz der Schallwellen, die durch das Brüllen eines Alligators erzeugt werden, ist etwa 100 Milliarden Mal höher als diese Frequenz – es handelt sich um sehr tiefe Wellen.“
Ihre neue Nachweismethode basiert auf der Analyse von Pulsaren und Neutronensternen, die in sehr regelmäßigen Abständen Radiowellen aussenden. Dror vermutete, dass die Suche nach einer allmählichen Verlangsamung des Eintreffens dieser Impulse neue Gravitationswellen aufdecken könnte.
Durch die Untersuchung vorhandener Pulsardaten war Dror in der Lage, nach Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen als je zuvor zu suchen und so unseren „Hörbereich“ auf Frequenzen von nur 10 Pikohertz zu erweitern, 100-mal niedriger als bei früheren Versuchen, Wellen im Nanohertz-Bereich zu entdecken.
Obwohl bereits Gravitationswellen mit Frequenzen um einen Nanohertz nachgewiesen wurden, ist über ihren Ursprung nicht viel bekannt. Es gibt zwei Theorien. Die Leitidee ist, dass diese Wellen das Ergebnis einer Verschmelzung zweier supermassereicher Schwarzer Löcher sind, was, wenn es wahr ist, Forschern eine neue Möglichkeit bieten würde, das Verhalten dieser riesigen Objekte zu untersuchen, die im Herzen jeder Galaxie liegen.
Die andere Haupttheorie besagt, dass diese Wellen durch ein katastrophales Ereignis zu Beginn der Geschichte des Universums entstanden sind. Durch die Untersuchung von Gravitationswellen bei noch niedrigeren Frequenzen könnten sie möglicherweise in der Lage sein, diese Möglichkeiten zu unterscheiden.
„Mit Blick auf die Zukunft besteht der nächste Schritt darin, neuere Datensätze zu analysieren“, sagte Dror. „Die von uns verwendeten Datensätze stammten hauptsächlich aus den Jahren 2014 und 2015, und seitdem wurden zahlreiche Pulsarbeobachtungen durchgeführt.“
Dror plant außerdem, mithilfe des HiPerGator-Supercomputers von UF Simulationen anhand von Scheindaten durchzuführen, um die kosmische Geschichte weiter zu entschlüsseln. Der Supercomputer kann große, komplexe Simulationen effizient durchführen und so den Zeitaufwand für die Datenanalyse erheblich reduzieren.
Mehr Informationen:
William DeRocco et al., Using Pulsar Parameter Drifts to Detect Subnanohertz Gravitational Waves, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101403. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2212.09751