Forscher schlagen vor, Pulsare zur Lokalisierung von Gravitationswellenquellen einzusetzen

Aktuelle Gravitationswellenobservatorien weisen zwei wesentliche Einschränkungen auf. Erstens können sie nur starke Gravitationsausbrüche wie die Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen beobachten. Zweitens können sie diese Verschmelzungen nur bei Wellenlängen in der Größenordnung von Hunderten bis Tausenden von Kilometern beobachten. Das bedeutet, dass wir nur Sternmassenverschmelzungen beobachten können. Natürlich gibt es eine Menge interessanter Gravitationsastronomie bei anderen Wellenlängen und Rauschpegeln, was Astronomen dazu motiviert hat, schlau zu werden. Eine dieser cleveren Ideen besteht darin, Pulsare als Teleskop zu nutzen. Die Forschungsergebnisse wurden auf dem Preprint-Server veröffentlicht arXiv.

Das Konzept ist als Pulsar Timing Array (PTA) bekannt. Pulsare sind rotierende Neutronensterne mit einem starken Magnetfeld, das so ausgerichtet ist, dass es bei jeder Drehung einen Funkenergiestoß in Richtung Erde schleudert. Wir sehen sie als einen sehr regelmäßigen Radioblitz. Einige Pulsare, sogenannte Millisekundenpulsare, rotieren so schnell, dass sie Hunderte von Radioimpulsen pro Sekunde aussenden. Da die Rotation eines Neutronensterns fast so regelmäßig ist wie ein Uhrwerk, können Pulsare als eine Art kosmischer Zeitmesser verwendet werden.

Aus diesem Grund führt die relative Bewegung des Pulsars dazu, dass sich die Impulse leicht verschieben, wenn sich ein Pulsar in irgendeiner Weise bewegt, beispielsweise um einen Stern umkreist. Wir können diese Verschiebungen mit äußerster Genauigkeit messen. Unsere Beobachtungen sind so präzise, ​​dass Pulsare lange bevor wir sie direkt beobachten konnten, zur Messung des Orbitalzerfalls binärer Systeme als indirekter Beweis für Gravitationswellen verwendet wurden.

Auch wenn Pulsare nicht Teil eines Doppelsternsystems sind, führen kleine Gravitationskräfte dazu, dass sie sich leicht verschieben. Wenn also eine Gravitationswelle durch sie hindurchgeht, verschieben sich ihre Impulse um einen winzigen Betrag. Diese Verschiebungen liegen im Wesentlichen auf der zufälligen Fluktuationsebene der Pulse selbst, sodass wir den Gravitationswelleneffekt eines einzelnen Pulsars nicht erkennen können. Wir brauchen Beobachtungen vieler Pulsare, um die statistischen Schwankungen zu erkennen. Daher benötigen wir eine Reihe von Pulsar-Timings.

Früher in diesem Jahr Astronomen des NANOGrav nutzten eine Reihe von 67 Pulsaren mit Daten aus 15 Jahren und konnten das gravitative Hintergrundgeräusch des Universums messen. Die wahrscheinlichen Quellen für diesen Hintergrund sind supermassive binäre Schwarze Löcher (SMBHs), aber die Ergebnisse waren nicht ganz schlüssig. Ein Problem mit den Daten besteht darin, dass das Team zwar die Gravitationswellen messen konnte, ihren Ursprungspunkt jedoch nicht genau bestimmen konnte.

Es gibt mehrere laufende PTA-Projekte, was bedeutet, dass wir bald über eine Fülle von Beobachtungsdaten verfügen werden. In einer neuen Studie schlägt ein Team vor, wie diese Daten genutzt werden könnten, um die Quellen von Hintergrundgravitationswellen zu lokalisieren. Ihre Idee konzentriert sich auf die Durchführung präziser Abstandsmessungen der Pulsare in einem Array.

Während wir derzeit die Entfernung einiger Pulsare sehr genau kennen, ist die Entfernung vieler Pulsare unklar. Detaillierte Beobachtungen von PTA-Pulsaren durch Observatorien wie das Very Long Baseline Array könnten uns die Präzision geben, die wir brauchen. Wenn wir sowohl die Entfernung als auch die zeitliche Variation eines Pulsars kennen, könnten wir eine Reichweite für die Quelle erhalten. Bei einer Reihe von Pulsaren würden sich die Bereiche überlappen, um die Quelle zu triangulieren.

Wie das Papier zeigt, konnte mit einer PTA von nur einem Dutzend Pulsaren ein gutes Maß an Genauigkeit erreicht werden. Diese erste Studie konzentrierte sich nur auf ein zweidimensionales Array, aber auch ein eher dreidimensionales Array sollte einigermaßen genau sein. Sicherlich genau genug, um zu beweisen, ob diese Hintergrundwellen von supermassiven binären Schwarzen Löchern stammen oder etwas, das wir noch nicht vollständig verstehen.