Verschmelzende supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren verschmelzender Galaxien füllen das Universum mit niederfrequenten Gravitationswellen. Astronomen haben mit großen Radioteleskopen nach diesen Wellen gesucht, um nach den subtilen Auswirkungen zu suchen, die diese Raumzeitwellen auf Radiowellen haben, die von Pulsaren in unserer Galaxie ausgesendet werden. Jetzt hat ein internationales Team von Wissenschaftlern gezeigt, dass auch das hochenergetische Licht, das vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA gesammelt wird, für die Suche verwendet werden kann. Die Verwendung von Gammastrahlen anstelle von Radiowellen ergibt eine klarere Sicht auf die Pulsare und bietet eine unabhängige und ergänzende Möglichkeit, Gravitationswellen zu erkennen.
Die Ergebnisse eines internationalen Wissenschaftlerteams, darunter Aditya Parthasarathy und Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Deutschland, sind in veröffentlicht Wissenschaft in dieser Woche.
Ein Meer aus Gravitationswellen
Im Herzen der meisten Galaxien – Ansammlungen von Hunderten von Milliarden Sternen wie unsere eigene Milchstraße – liegt ein supermassereiches Schwarzes Loch. Galaxien werden durch ihre immense Gravitation zueinander hingezogen, und wenn sie verschmelzen, sinken ihre Schwarzen Löcher zum neuen Zentrum. Wenn sich die Schwarzen Löcher spiralförmig nach innen winden und verschmelzen, erzeugen sie lange Gravitationswellen, die sich zwischen Wellenbergen über Hunderte von Billionen Kilometern erstrecken. Das Universum ist voll von solchen verschmelzenden supermassiven Schwarzen Löchern, und sie füllen es mit einem Meer aus niederfrequenten Raumzeitwellen.
Astronomen suchen seit Jahrzehnten nach diesen Wellen, indem sie die Impulse von Pulsaren, den dichten Überresten massereicher Sterne, beobachten. Pulsare rotieren mit extremer Regelmäßigkeit und Astronomen wissen genau, wann sie jeden Puls erwarten können. Das Meer aus Gravitationswellen ändert sich jedoch auf subtile Weise, wenn die Pulse die Erde erreichen, und die genaue Überwachung vieler Pulsare am Himmel kann seine Anwesenheit offenbaren. Bisherige Suchen nach diesen Wellen wurden ausschließlich mit großen Radioteleskopen durchgeführt, die Radiowellen sammeln und analysieren. Aber jetzt hat ein internationales Team von Wissenschaftlern in mehr als zehn Jahren Daten, die mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA gesammelt wurden, nach diesen winzigen Variationen gesucht, und ihre Analyse zeigt, dass die Erkennung dieser Wellen mit nur wenigen Jahren zusätzlicher Beobachtungen möglich sein könnte.
„Fermi untersucht das Universum in Gammastrahlen, der energiereichsten Form von Licht. Wir waren überrascht, wie gut es darin ist, die Arten von Pulsaren zu finden, die wir brauchen, um nach diesen Gravitationswellen zu suchen – bisher über 100“, sagte Matthew Kerr , Forschungsphysiker am US Naval Research Laboratory in Washington. „Fermi- und Gammastrahlen haben einige besondere Eigenschaften, die sie zusammen zu einem sehr mächtigen Werkzeug bei dieser Untersuchung machen.“
Die Ergebnisse der Studie, die gemeinsam von Kerr und Aditya Parthasarathy, einem Forscher am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, Deutschland, geleitet wurde, wurden in der Ausgabe vom April 07 veröffentlicht Wissenschaft.
Kosmische Uhren
Licht nimmt viele Formen an. Niederfrequente Radiowellen können manche Objekte durchdringen, während hochfrequente Gammastrahlen beim Auftreffen auf Materie zu energiereichen Teilchenschauern explodieren. Gravitationswellen decken ebenfalls ein breites Spektrum ab, und massereichere Objekte neigen dazu, längere Wellen zu erzeugen.
Es ist unmöglich, einen Detektor zu bauen, der groß genug ist, um die Billionen Kilometer langen Wellen zu erfassen, die von verschmelzenden supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden, daher verwenden Astronomen natürlich vorkommende Detektoren, sogenannte Pulsar-Timing-Arrays. Dies sind Ansammlungen von Millisekunden-Pulsaren, die sowohl in Radiowellen als auch in Gammastrahlen leuchten und sich jede Sekunde hunderte Male drehen. Wie Leuchttürme scheinen diese Strahlungsstrahlen regelmäßig zu pulsieren, wenn sie über die Erde streichen, und wenn sie durch das Meer von Gravitationswellen gleiten, werden sie vom schwachen Grollen entfernter, massiver Schwarzer Löcher geprägt.
Diese Visualisierung zeigt Gravitationswellen, die von zwei Schwarzen Löchern mit nahezu gleicher Masse ausgesandt werden, während sie sich spiralförmig umeinander drehen. Orangefarbene Wellen stellen Verzerrungen der Raumzeit dar, die durch die schnell umkreisenden Massen verursacht werden. Diese Verzerrungen breiten sich aus und werden schwächer und werden schließlich zu Gravitationswellen (lila). Diese Simulation wurde auf dem Pleiades-Supercomputer im Ames Research Center der NASA durchgeführt. Bildnachweis: NASA/Bernard J. Kelly (Goddard und Univ. of Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames) und Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)
Eine einzigartige Sonde
Pulsare wurden ursprünglich mit Radioteleskopen entdeckt, und Pulsar-Timing-Array-Experimente mit Radioteleskopen werden seit fast zwei Jahrzehnten betrieben. Diese großen Schüsseln bieten die größte Empfindlichkeit für die Auswirkungen von Gravitationswellen, aber interstellare Effekte erschweren die Analyse von Radiodaten. Der Weltraum ist größtenteils leer, aber beim Überqueren der riesigen Entfernung zwischen einem Pulsar und der Erde treffen Radiowellen immer noch auf viele Elektronen. Ähnlich wie ein Prisma sichtbares Licht krümmt, krümmen interstellare Elektronen die Radiowellen und verändern ihre Ankunftszeit. Die energetischen Gammastrahlen werden auf diese Weise nicht beeinflusst, daher bieten sie eine ergänzende und unabhängige Methode zur Pulsarzeitmessung.
„Die Fermi-Ergebnisse sind bereits 30 % so gut wie die Radiopulsar-Timing-Arrays, wenn es darum geht, möglicherweise den Gravitationswellenhintergrund zu erkennen“, sagte Parthasarathy. „Nach weiteren fünf Jahren Pulsardatenerfassung und -analyse wird es genauso leistungsfähig sein, mit dem zusätzlichen Bonus, dass man sich nicht um all diese Streuelektronen kümmern muss.“
Ein Gammapulsar-Timing-Array, das vor dem Start von Fermi nicht vorgesehen war, stellt eine leistungsstarke neue Fähigkeit in der Gravitationswellen-Astrophysik dar.
„Die Erkennung des Gravitationswellenhintergrunds mit Pulsaren ist in Reichweite, bleibt aber schwierig. Eine unabhängige Methode, die hier unerwartet durch Fermi gezeigt wird, ist eine großartige Nachricht, sowohl um zukünftige Erkenntnisse zu bestätigen als auch um ihre Synergien mit Radioexperimenten zu demonstrieren“, schließt Michael Kramer, Direktor bei am MPIfR und Leiter des dortigen Forschungsbereichs Physikalische Grundlagen in der Radioastronomie.
Ein Gammastrahlen-Pulsar-Timing-Array beschränkt den Nanohertz-Gravitationswellenhintergrund, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abm3231. www.science.org/doi/10.1126/science.abm3231