Eine Gruppe chinesischer Wissenschaftler hat kürzlich wichtige Beweise für die Existenz von Nanohertz-Gravitationswellen gefunden und damit eine neue Ära in der Nanohertz-Gravitationswellenforschung eingeläutet. Die Forschung basierte auf Pulsar-Timing-Beobachtungen, die mit dem Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) durchgeführt wurden.
Die Forschung wurde von der Chinese Pulsar Timing Array (CPTA)-Kollaboration durchgeführt, der Forscher der Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (NAOC) und anderer Institute angehören. Ihre Ergebnisse wurden am 28. Juni online in der Zeitschrift veröffentlicht Forschung in Astronomie und Astrophysik (RAA).
Andere internationale Pulsar-Timing-Array-Kooperationen werden am selben Tag ähnliche Ergebnisse bekannt geben.
Die Beschleunigung massiver Objekte stört die umgebende Raumzeit und erzeugt „Wellen“, also Gravitationswellen. Obwohl solche Wellensignale extrem schwach sind, bieten sie eine direkte Methode zur Untersuchung von Massen, die kein Licht aussenden. Aus diesem Grund streben Astronomen seit langem danach, Gravitationswellen zu nutzen, um die Bildung der Strukturen des Universums zu verstehen und das Wachstum, die Entwicklung und die Verschmelzung der massereichsten Himmelsobjekte im Universum, also supermassereicher Schwarzer Löcher, zu untersuchen. Solche Forschungen werden den Physikern auch dabei helfen, Einblicke in die grundlegenden physikalischen Gesetze der Raumzeit zu gewinnen.
Chinesische Wissenschaftler haben kürzlich wichtige Beweise für die Existenz von Nanohertz-Gravitationswellen gefunden und damit eine neue Ära in der Nanohertz-Gravitationsforschung eingeläutet. Bildnachweis: CAS New Media Lab
Das CPTA-Forschungsteam nutzte die hohe Empfindlichkeit von FAST und überwachte 41 Monate lang 57-Millisekunden-Pulsare mit regelmäßigen Kadenzen. Das Team fand wichtige Beweise für Quadrupol-Korrelationssignaturen, die mit der Vorhersage von Nanohertz-Gravitationswellen bei einem statistischen Konfidenzniveau von 4,6 Sigma (mit einer Fehlalarmwahrscheinlichkeit von zwei zu einer Million) kompatibel sind.
Das Team nutzte unabhängig entwickelte Datenanalysesoftware und Datenverarbeitungsalgorithmen, um zeitgleich mit anderen internationalen Konzernen den Durchbruch zu erzielen. Unabhängige Datenverarbeitungspipelines lieferten kompatible Ergebnisse.
Die Zeitspanne des CPTA-Datensatzes ist derzeit relativ kürzer. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des FAST-Teleskops erreichte CPTA jedoch im Vergleich zu anderen PTAs eine ähnliche Empfindlichkeit. Die zukünftigen Beobachtungen werden bald den Umfang der CPTA-Daten erweitern und bei der Identifizierung der astronomischen Quellen des aktuellen Signals helfen.
Objekte mit größerer Masse erzeugen Gravitationswellen mit niedrigerer Frequenz. Beispielsweise erzeugt der massereichste Himmelskörper im Universum, die supermassiven Schwarzen-Loch-Doppelsterne (mit 100 Millionen bis 100 Milliarden Sonnenmassen) im Zentrum von Galaxien, hauptsächlich Gravitationswellen im Nanohertz-Band mit entsprechenden Signalzeitskalen von Jahre bis Jahrzehnte. Dieses Frequenzband umfasst auch Gravitationswellenbeiträge aus Prozessen des frühen Universums sowie exotische Objekte wie kosmische Strings.
Der Einsatz von Nanohertz-Gravitationswellen in der kosmischen Beobachtung ist daher von enormer Bedeutung für die Untersuchung zentraler Probleme der modernen Astrophysik wie supermassiver Schwarzer Löcher, der Geschichte der Galaxienverschmelzung und der Entstehung großräumiger Strukturen im Universum.
Der Nachweis von Nanohertz-Gravitationswellen ist jedoch aufgrund ihrer extrem niedrigen Frequenz, bei der die entsprechende Periode mehrere Jahre und die Wellenlängen bis zu mehreren Lichtjahren betragen kann, eine große Herausforderung. Bisher ist die Langzeitbeobachtung von Millisekundenpulsaren mit extremer Rotationsstabilität die einzige bekannte Methode zur effektiven Detektion von Nanohertz-Gravitationswellen.
Die Jagd nach diesen Wellen ist einer der Hauptschwerpunkte der heutigen Physik und Astronomie. Regionale Pulsar-Timing-Array-Kooperationen, darunter das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), das European Pulsar Timing Array (EPTA) und das Australian Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), sammeln seit mehr als 20 Jahren Pulsar-Timing-Daten , mit dem Ziel, Nanohertz-Gravitationswellen nachzuweisen. Kürzlich sind diesem Bereich auch mehrere neue regionale Kooperationen beigetreten, darunter CPTA, das India Pulsar Timing Array (InPTA) und das South Africa Pulsar Timing Array (SAPTA).
Die Nachweisempfindlichkeit von Pulsar-Timing-Arrays für Nanohertz-Gravitationswellen hängt stark von der Beobachtungszeitspanne ab – das heißt, die Empfindlichkeit wächst schnell mit zunehmender Beobachtungszeitspanne. Die Beobachtungszeitspanne des aktuellen CPTA ist kürzer, was es einfacher macht, die Zeitspanne effektiv zu verlängern, z. B. wird die Beobachtungszeit für weitere 41 Monate verdoppelt.
In Zukunft werden diese regionalen Kooperationen die internationale Zusammenarbeit mit Pulsar-Timing-Arrays fördern und die Erforschung des Universums durch Nanohertz-Gravitationswellenbeobachtungen erweitern.
Mehr Informationen:
Heng Xu et al., Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I, Forschung in Astronomie und Astrophysik (2023). DOI: 10.1088/1674-4527/acdfa5