Zum ersten Mal „hört“ man das Geräusch der Gravitationswellen der verschmelzenden supermassiven Schwarzen Löcher im Universum

Nach 15 Jahren Datenerfassung in einem galaxiengroßen Experiment haben Wissenschaftler zum ersten Mal den ewigen Chor der Gravitationswellen „gehört“, die durch unser Universum kräuseln – und er ist lauter als erwartet.

Die bahnbrechende Entdeckung wurde von Wissenschaftlern des North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gemacht, die Sterne, sogenannte Pulsare, die als himmlische Metronome fungieren, genau beobachteten. Die neu entdeckten Gravitationswellen – Wellen im Gefüge der Raumzeit – sind mit Abstand die stärksten, die jemals gemessen wurden: Sie tragen etwa eine Million Mal so viel Energie wie die einmaligen Ausbrüche von Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen durch Experimente wie LIGO und Virgo.

Die meisten der gigantischen Gravitationswellen werden wahrscheinlich von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher erzeugt, die spiralförmig auf katastrophale Kollisionen im gesamten Kosmos zusteuern, berichten die NANOGrav-Wissenschaftler in einer Reihe neuer Arbeiten, die heute in erscheinen Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.

„Es ist wie ein Chor, in dem all diese supermassiven Schwarzlochpaare mit unterschiedlichen Frequenzen zusammenstimmen“, sagt NANOGrav-Wissenschaftlerin Chiara Mingarelli, die als außerordentliche Forschungswissenschaftlerin am Center for Computational Astrophysics (CCA) des Flatiron Institute in New York an den neuen Erkenntnissen arbeitete York City. „Dies ist der erste Beweis für den Hintergrund der Gravitationswelle. Wir haben ein neues Fenster der Beobachtung des Universums geöffnet.“

Die Existenz und Zusammensetzung des Gravitationswellenhintergrunds – seit langem theoretisiert, aber noch nie zuvor gehört – stellt eine Fundgrube neuer Erkenntnisse zu seit langem offenen Fragen dar, vom Schicksal supermassereicher Schwarzlochpaare bis zur Häufigkeit von Galaxienverschmelzungen.

Derzeit kann NANOGrav nur den gesamten Gravitationswellenhintergrund messen und nicht die Strahlung der einzelnen „Sänger“. Aber auch das brachte Überraschungen.

„Der Gravitationswellenhintergrund ist etwa doppelt so laut wie ich erwartet hatte“, sagt Mingarelli, jetzt Assistenzprofessor an der Yale University. „Es liegt wirklich am oberen Ende dessen, was unsere Modelle aus supermassereichen Schwarzen Löchern erschaffen können.“

Die ohrenbetäubende Lautstärke kann auf experimentelle Einschränkungen oder schwerere und häufiger vorkommende supermassereiche Schwarze Löcher zurückzuführen sein. Aber es besteht auch die Möglichkeit, dass etwas anderes starke Gravitationswellen erzeugt, sagt Mingarelli, etwa Mechanismen, die von der Stringtheorie vorhergesagt werden, oder alternative Erklärungen für die Entstehung des Universums. „Was als nächstes kommt, ist alles“, sagt sie. „Das ist erst der Anfang.“

Ein galaxienweites Experiment

An diesen Punkt zu gelangen, war eine jahrelange Herausforderung für das NANOGrav-Team. Die von ihnen gejagten Gravitationswellen unterscheiden sich von allen bisher gemessenen. Im Gegensatz zu den Hochfrequenzwellen, die von erdgebundenen Instrumenten wie LIGO und Virgo erfasst werden, besteht der Gravitationswellenhintergrund aus ultraniederfrequenten Wellen. Es kann Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis ein einzelner Anstieg und Fall einer der Wellen vergeht. Da sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, könnte eine einzelne Wellenlänge mehrere zehn Lichtjahre lang sein.

Kein Experiment auf der Erde konnte solch kolossale Wellen jemals nachweisen, also schaute das NANOGrav-Team stattdessen zu den Sternen. Sie beobachteten Pulsare genau, die ultradichten Überreste massereicher Sterne, die zur Supernova wurden. Pulsare wirken wie stellare Leuchttürme und schießen Radiowellenstrahlen aus ihren Magnetpolen. Während sich die Pulsare schnell drehen (manchmal hunderte Male pro Sekunde), fegen diese Strahlen über den Himmel und erscheinen von unserem Standpunkt auf der Erde aus als rhythmische Impulse von Radiowellen.

Wie ein perfekt getimtes Metronom treffen die Impulse auf der Erde ein. Das Timing ist so präzise, ​​dass Astronomen, als Jocelyn Bell 1967 die ersten Pulsarradiowellen maß, dachten, es könnten Signale einer außerirdischen Zivilisation sein.

Wenn eine Gravitationswelle zwischen uns und einem Pulsar verläuft, bringt sie das Timing der Radiowellen durcheinander. Das liegt daran, dass Gravitationswellen, wie Albert Einstein vorhergesagt hat, den Raum dehnen und komprimieren, während sie sich durch den Kosmos bewegen, wodurch sich die Reichweite der Radiowellen verändert.

15 Jahre lang haben NANOGrav-Wissenschaftler aus den USA und Kanada die Radiowellenimpulse von Dutzenden von Millisekundenpulsaren in unserer Galaxie mithilfe des Arecibo-Observatoriums in Puerto Rico, des Green Bank Telescope in West Virginia und des Very Large Array in New Mexico genau zeitlich gesteuert. Die neuen Erkenntnisse sind das Ergebnis einer detaillierten Analyse einer Reihe von 67 Pulsaren.

„Pulsare sind tatsächlich sehr schwache Radioquellen, daher benötigen wir an den größten Teleskopen der Welt Tausende von Stunden pro Jahr, um dieses Experiment durchzuführen“, sagt Maura McLaughlin von der West Virginia University, Co-Direktorin des NANOGrav Physics Frontiers Center. „Diese Ergebnisse werden durch das anhaltende Engagement der National Science Foundation (NSF) für diese außergewöhnlich empfindlichen Radioobservatorien ermöglicht.“

Den Hintergrund erkennen

Im Jahr 2020 begannen die NANOGrav-Wissenschaftler mit Daten aus etwas mehr als 12 Jahren Hinweise auf ein Signal zu erkennen, ein zusätzliches „Brummen“, das dem Zeitverhalten aller Pulsare im Array gemeinsam ist. Jetzt, drei Jahre zusätzlicher Beobachtungen später, haben sie konkrete Beweise für die Existenz des Gravitationswellenhintergrunds gesammelt.

„Da wir nun Beweise für Gravitationswellen haben, besteht der nächste Schritt darin, unsere Beobachtungen zu nutzen, um die Quellen zu untersuchen, die dieses Brummen erzeugen“, sagt Sarah Vigeland von der University of Wisconsin-Milwaukee, Vorsitzende der NANOGrav-Erkennungsarbeitsgruppe.

Die wahrscheinlichsten Quellen des Gravitationswellenhintergrunds sind Paare supermassereicher Schwarzer Löcher, die in einer Todesspirale gefangen sind. Diese Schwarzen Löcher sind wirklich kolossal und enthalten eine Masse von Milliarden Sonnen. Fast alle Galaxien, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, haben in ihrem Kern mindestens einen der Giganten. Wenn zwei Galaxien verschmelzen, können ihre supermassiven Schwarzen Löcher aufeinander treffen und beginnen, einander zu umkreisen. Mit der Zeit verengen sich ihre Umlaufbahnen, wenn Gas und Sterne zwischen den Schwarzen Löchern hindurchströmen und Energie stehlen.

Schließlich kommen sich die supermassiven Schwarzen Löcher so nahe, dass der Energiediebstahl aufhört. Einige theoretische Studien argumentieren seit Jahrzehnten, dass die Schwarzen Löcher dann auf unbestimmte Zeit zum Stillstand kommen, wenn sie etwa 1 Parsec (ungefähr drei Lichtjahre) voneinander entfernt sind. Diese Close-but-no-cigar-Theorie wurde als finales Parsec-Problem bekannt. In diesem Szenario kommt es nur in seltenen Fällen zu Verschmelzungen von Gruppen von drei oder mehr supermassiven Schwarzen Löchern.

Supermassive Schwarze-Loch-Paare könnten jedoch einen Trick im Ärmel haben. Sie könnten Energie in Form starker Gravitationswellen aussenden, während sie einander umkreisen, bis sie schließlich in einem katastrophalen Finale zusammenstoßen. „Sobald die beiden Schwarzen Löcher nahe genug sind, um von Pulsar-Timing-Arrays gesehen zu werden, kann nichts mehr ihre Verschmelzung innerhalb weniger Millionen Jahre aufhalten“, sagt Luke Kelley von der University of California in Berkeley, Vorsitzender der Astrophysikgruppe von NANOGrav.

Die Existenz des von NANOGrav gefundenen Gravitationswellenhintergrunds scheint diese Vorhersage zu stützen und möglicherweise das letzte Parsec-Problem zu lösen.

Da sich durch Galaxienverschmelzungen supermassive Schwarze-Loch-Paare bilden, wird die Häufigkeit ihrer Gravitationswellen den Kosmologen dabei helfen, abzuschätzen, wie häufig Galaxien im Laufe der Geschichte des Universums kollidiert sind. Mingarelli, die Postdoktorandin Deborah C. Good vom CCA und der University of Connecticut und ihre Kollegen untersuchten die Intensität des Gravitationswellenhintergrunds. Sie schätzen, dass Hunderttausende oder vielleicht sogar eine Million oder mehr supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern im Universum leben.

Alternative Quellen

Allerdings stammen nicht alle von NANOGrav entdeckten Gravitationswellen unbedingt von supermassereichen Schwarzen-Loch-Paaren. Andere theoretische Vorschläge sagen ebenfalls Wellen im ultratiefen Frequenzbereich voraus. Die Stringtheorie sagt beispielsweise voraus, dass sich im frühen Universum möglicherweise eindimensionale Defekte, sogenannte kosmische Strings, gebildet haben. Diese Saiten könnten Energie zerstreuen, indem sie Gravitationswellen aussenden. Ein anderer Vorschlag legt nahe, dass das Universum nicht mit dem Urknall begann, sondern mit einem Urknall, als ein Vorläuferuniversum in sich zusammenfiel, bevor es sich wieder nach außen ausdehnte. In einer solchen Ursprungsgeschichte würden die Gravitationswellen des Vorfalls immer noch durch die Raumzeit wandern.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass Pulsare nicht die perfekten Gravitationswellendetektoren sind, für die Wissenschaftler sie halten, und dass sie stattdessen eine unbekannte Variabilität aufweisen, die die Ergebnisse von NANOGrav verzerrt. „Wir können nicht zu den Pulsaren gehen und sie ein- und wieder ausschalten, um zu sehen, ob es einen Fehler gibt“, sagt Mingarelli.

Das NANOGrav-Team hofft, bei der weiteren Beobachtung der Pulsare alle potenziellen Faktoren für den neu entdeckten Gravitationswellenhintergrund zu erforschen. Die Gruppe plant, den Hintergrund anhand der Frequenz und des Ursprungs der Wellen am Himmel aufzuschlüsseln.

Eine internationale Anstrengung

Glücklicherweise ist das NANOGrav-Team mit seiner Suche nicht allein. Mehrere heute von Kooperationen mit Teleskopen in Europa, Indien, China und Australien veröffentlichte Arbeiten berichten über Hinweise auf das gleiche Gravitationswellen-Hintergrundsignal in ihren Daten. Über das International Pulsar Timing Array-Konsortium bündeln die einzelnen Gruppen ihre Daten, um das Signal besser zu charakterisieren und seine Quellen zu identifizieren.

„Unsere kombinierten Daten werden viel aussagekräftiger sein“, sagt Stephen Taylor von der Vanderbilt University, Co-Leiter der neuen Forschung und derzeit Vorsitzender der NANOGrav-Kollaboration. „Wir sind gespannt, welche Geheimnisse sie über unser Universum enthüllen werden.“