Mithilfe simulierter Daten haben Astronomen einen Blick auf den Himmel geworfen, wie er in Gravitationswellen, kosmischen Wellen in der Raumzeit, die von umlaufenden Objekten erzeugt werden, aussehen würde. Das Bild zeigt, wie weltraumgestützte Gravitationswellenobservatorien, deren Start im nächsten Jahrzehnt erwartet wird, unser Verständnis unserer galaktischen Heimat verbessern werden.
Seit 2015 haben bodengestützte Observatorien etwa hundert Ereignisse entdeckt, die die Verschmelzung von Systemen darstellen, die Schwarze Löcher mit stellarer Masse, Neutronensterne oder beides paaren. Die Signale dauern typischerweise weniger als eine Minute, haben relativ hohe Frequenzen, können überall am Himmel erscheinen und ihre Quellen liegen weit außerhalb unserer Galaxie.
„Binärsysteme füllen auch die Milchstraße, und wir gehen davon aus, dass viele von ihnen kompakte Objekte wie Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher in engen Umlaufbahnen enthalten“, sagte Cecilia Chirenti, Forscherin an der University of Maryland, College Park Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Aber wir brauchen ein Weltraumobservatorium, um sie zu ‚hören‘, weil ihre Gravitationswellen bei Frequenzen summen, die für bodengestützte Detektoren zu niedrig sind.“
Astronomen nennen diese Systeme UCBs (Ultracompact Binaries) und gehen davon aus, dass zukünftige Observatorien wie LISA (Laser Interferometer Space Antenna), das von der ESA (European Space Agency) in Zusammenarbeit mit der NASA geleitet wird, Zehntausende von ihnen entdecken werden. UCBs sind normalerweise schwer zu erkennen – sie sind im sichtbaren Licht normalerweise schwach, und Astronomen kennen derzeit nur eine Handvoll mit Umlaufzeiten von weniger als einer Stunde. Die Entdeckung vieler neuer UCBs ist eines der Hauptziele von LISA.
Beobachten Sie, wie sich Gravitationswellen einer simulierten Population kompakter Doppelsternsysteme zu einer synthetischen Karte des gesamten Himmels verbinden. Solche Systeme enthalten Weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher in engen Umlaufbahnen. Karten wie diese mit realen Daten werden möglich sein, sobald weltraumgestützte Gravitationswellenobservatorien im nächsten Jahrzehnt in Betrieb gehen. Hellere Punkte weisen auf Quellen mit stärkeren Signalen hin, hellere Farben auf Quellen mit höheren Frequenzen. Größere farbige Flecken zeigen Quellen, deren Position weniger bekannt ist. Der Einschub zeigt die Frequenz und Stärke des Gravitationssignals sowie die Empfindlichkeitsgrenze für LISA (Laser Interferometer Space Antenna), ein Observatorium, das derzeit von der ESA (Europäische Weltraumorganisation) in Zusammenarbeit mit der NASA für den Start in den 2030er Jahren entworfen wird. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Anhand von Daten, die die erwartete Verteilung und die Gravitationswellensignale dieser Systeme simulieren, entwickelte das Team eine Möglichkeit, die Daten zu einer Gesamthimmelansicht der UCBs der Galaxie zu kombinieren. A Papier veröffentlicht in Das Astronomische Journal beschreibt die Technik.
„Unser Bild ist direkt analog zu einer Gesamtansicht des Himmels in einer bestimmten Art von Licht, etwa sichtbarem Licht, Infrarotlicht oder Röntgenstrahlung“, sagte der Goddard-Astrophysiker Ira Thorpe. „Das Versprechen von Gravitationswellen besteht darin, dass wir das Universum auf eine völlig andere Art und Weise beobachten können, und dieses Bild bringt das deutlich zum Ausdruck. Ich hoffe, dass ich eines Tages eine Version mit echten LISA-Daten auf einem Poster oder T-Shirt sehen kann.“
Mehr Informationen:
Kaitlyn Szekerczes et al, Imaging the Milky Way with Millihertz Gravitational Waves, Das Astronomische Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-3881/acd3f1