Wissenschaftler haben zum ersten Mal die schwachen Wellen beobachtet, die durch die Bewegung von Schwarzen Löchern verursacht werden, die alles im Universum sanft dehnen und zusammendrücken.
Sie berichteten am Mittwoch, dass sie sogenannte niederfrequente Gravitationswellen „hören“ konnten – Veränderungen im Gefüge des Universums, die durch riesige Objekte entstehen, die sich im Weltraum bewegen und kollidieren.
„Es ist wirklich das erste Mal, dass wir Beweise für diese großräumige Bewegung von allem im Universum haben“, sagte Maura McLaughlin, Co-Direktorin von NANOGrav, der Forschungskooperation, die die Ergebnisse veröffentlichte Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
Einstein sagte voraus, dass, wenn sich wirklich schwere Objekte durch die Raumzeit – das Gefüge unseres Universums – bewegen, sie Wellen erzeugen, die sich durch dieses Gefüge ausbreiten. Wissenschaftler vergleichen diese Wellen manchmal mit der Hintergrundmusik des Universums.
Im Jahr 2015 nutzten Wissenschaftler ein Experiment namens LIGO, um erstmals Gravitationswellen zu entdecken, und zeigten, dass Einstein Recht hatte. Bisher konnten diese Methoden jedoch nur Wellen bei hohen Frequenzen einfangen, erklärte NANOGrav-Mitglied Chiara Mingarelli, Astrophysikerin an der Yale University.
Diese schnellen „Zwitschern“ kommen von bestimmten Momenten, in denen relativ kleine Schwarze Löcher und tote Sterne aufeinanderprallen, sagte Mingarelli.
In der neuesten Forschung suchten Wissenschaftler nach Wellen mit viel niedrigeren Frequenzen. Es kann Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis sich diese langsamen Wellen auf und ab bewegen, und sie stammen wahrscheinlich von einigen der größten Objekte in unserem Universum: supermassereichen Schwarzen Löchern, die milliardenfach so groß sind wie die Masse unserer Sonne.
Galaxien im gesamten Universum kollidieren und verschmelzen ständig. Wissenschaftler glauben, dass dabei auch die riesigen Schwarzen Löcher in den Zentren dieser Galaxien zusammenkommen und in einen Tanz verwickelt werden, bevor sie schließlich ineinander kollabieren, erklärte Szabolcs Marka, ein Astrophysiker an der Columbia University, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Die Schwarzen Löcher senden Gravitationswellen aus, wenn sie in diesen Paarungen, sogenannten Doppelsternen, umkreisen.
„Supermassive Doppelsterne aus Schwarzen Löchern, die sich langsam und ruhig umkreisen, sind die Tenöre und Bässe der kosmischen Oper“, sagte Marka.
Kein Instrument auf der Erde könnte die Wellen dieser Riesen erfassen. „Wir mussten also einen Detektor bauen, der ungefähr die Größe der Galaxie hatte“, sagte NANOGrav-Forscher Michael Lam vom SETI-Institut.
Die diese Woche veröffentlichten Ergebnisse umfassten 15 Jahre Daten von NANOGrav, das Teleskope in ganz Nordamerika zur Suche nach den Wellen eingesetzt hat. Auch andere Teams von Gravitationswellenjägern auf der ganzen Welt veröffentlichten Studien, unter anderem in Europa, Indien, China und Australien.
Die Wissenschaftler richteten ihre Teleskope auf tote Sterne, sogenannte Pulsare, die Radiowellenblitze aussenden, während sie wie Leuchttürme im Weltraum kreisen.
Diese Ausbrüche sind so regelmäßig, dass Wissenschaftler genau wissen, wann die Radiowellen auf unserem Planeten ankommen sollen – „wie eine vollkommen regelmäßige Uhr, die weit draußen im Weltraum tickt“, sagte NANOGrav-Mitglied Sarah Vigeland, Astrophysikerin an der University of Wisconsin-Milwaukee . Aber wenn Gravitationswellen das Gefüge der Raumzeit verzerren, verändern sie tatsächlich den Abstand zwischen der Erde und diesen Pulsaren und stören diesen gleichmäßigen Puls.
Durch die Analyse winziger Änderungen in der Ticking-Rate verschiedener Pulsare – wobei einige Pulse etwas früher und andere etwas später kamen – konnten Wissenschaftler erkennen, dass Gravitationswellen durchquerten.
Das NANOGrav-Team überwachte 68 Pulsare am Himmel mit dem Green Bank Telescope in West Virginia, dem Arecibo-Teleskop in Puerto Rico und dem Very Large Array in New Mexico. Andere Teams fanden ähnliche Beweise von Dutzenden anderer Pulsare, die mit Teleskopen auf der ganzen Welt überwacht wurden.
Bisher sei es mit dieser Methode nicht gelungen, den genauen Ursprung dieser niederfrequenten Wellen zu ermitteln, sagte Marc Kamionkowski, ein Astrophysiker an der Johns Hopkins University, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Stattdessen offenbart es das ständige Summen, das überall um uns herum herrscht – als ob man, wenn man mitten auf einer Party steht, „all diese Leute reden hört, aber nichts Besonderes hört“, sagte Kamionkowski .
Das Hintergrundgeräusch, das sie fanden, sei „lauter“, als einige Wissenschaftler erwartet hätten, sagte Mingarelli. Dies könnte bedeuten, dass im Weltraum mehr oder größere Verschmelzungen von Schwarzen Löchern stattfinden, als wir dachten – oder auf andere Quellen von Gravitationswellen hinweisen, die unser Verständnis des Universums in Frage stellen könnten.
Forscher hoffen, dass die weitere Untersuchung dieser Art von Gravitationswellen uns dabei helfen kann, mehr über die größten Objekte in unserem Universum zu erfahren. Es könnte neue Türen zur „kosmischen Archäologie“ öffnen, die die Geschichte der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Galaxien rund um uns herum verfolgen kann, sagte Marka.
„Wir beginnen, dieses neue Fenster zum Universum zu öffnen“, sagte Vigeland.
Mehr Informationen:
Gabriella Agazie et al., Der 15-Jahres-Datensatz von NANOGrav: Hinweise auf einen Gravitationswellenhintergrund, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6
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