Zeitmessung zeigt nach 15 Jahren Hinweise auf kosmische Wellen der Gravitation
09/08/23 14:50
Das Universum schwingt im Klang der Gravitationsstrahlung - eine sanfte, tieffrequente Vibration, die den Raum und die darin enthaltene Materie regelmäßig ausdehnt und zusammenzieht.
Dies ist das Resultat mehrerer Forschergruppen aus aller Welt, die im Juni zeitgleich eine Vielzahl von Fachartikeln veröffentlichten und über 15 Jahre lang Beobachtungen von Millisekunden-Pulsaren in unserer Region der Milchstraßengalaxie beschrieben. Mindestens eine Gruppe - die Nordamerikanische Nanohertz-Observatorium für Gravitationswellen (NANOGrav) Kollaboration - hat überzeugende Hinweise gefunden, dass die präzisen Rhythmen dieser Pulsare durch das Dehnen und Stauchen der Raumzeit durch diese langwelligen Gravitationswellen beeinflusst werden.
Stephen Taylor von der Vanderbilt University, der die Suche mitgeleitet hat und derzeit den Vorsitz der Zusammenarbeit innehat, sagt: "Dies sind wichtige Beweise für Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen. Nach jahrelanger Arbeit eröffnet NANOGrav ein völlig neues Fenster in das Universum der Gravitationswellen."
Gravitationswellen wurden erstmals 2015 vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) entdeckt. Die kurzwelligen Raumzeit-Schwankungen wurden durch die Verschmelzung kleinerer Schwarzer Löcher oder gelegentlich von Neutronensternen verursacht, die alle weniger als einige hundert Sonnenmassen wiegen.
Die Frage ist nun: Werden auch die langwelligen Gravitationswellen mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten von Schwarzen Löchern erzeugt?
In einem Artikel des NANOGrav-Konsortiums, veröffentlicht im "Astrophysical Journal Letters", argumentierten der Physiker Luke Zoltan Kelley von der University of California, Berkeley, und das NANOGrav-Team, dass das Summen wahrscheinlich von Hunderttausenden von Paaren supermassiver Schwarzer Löcher erzeugt wird - von denen jedes Milliardenfach so schwer ist wie unsere Sonne - die im Laufe der Universumsgeschichte nahe genug aneinander geraten sind, um zu verschmelzen.
Das Team erstellte Simulationen von supermassiven Schwarzes-Loch-Binärpopulationen mit Milliarden von Quellen und verglich die vorhergesagten Gravitationswellensignaturen mit den neuesten Beobachtungen von NANOGrav.
Die Bewegung der Schwarzen Löcher vor der Verschmelzung lässt das Raumzeitgefüge ähnlich wie tanzende Paare rhythmisch vibrieren. Solche Verschmelzungen im 13,8 Milliarden Jahre alten Universum erzeugten Gravitationswellen, die sich heute überlappen, ähnlich den Wellen von ins Wasser geworfenen Kieselsteinen, um das Hintergrundsummen zu erzeugen. Da die Wellenlängen dieser Gravitationswellen in Lichtjahren gemessen werden, benötigte ihre Entdeckung ein galaxie-großes Antennen-Array - eine Ansammlung von Millisekunden-Pulsaren.
Derzeit kann niemand mit Sicherheit sagen, ob das supermassive Schwarze Loch im Zentrum von M87 ein binäres Schwarzes Loch ist. Die Simulationen deuten jedoch darauf hin, dass binäre supermassive Schwarze-Löcher häufig auftreten, da die zentralen Schwarzen Löcher von zwei verschmelzenden Galaxien gemeinsam zum Zentrum der größeren verschmolzenen Galaxie sinken sollten. Diese Schwarzen Löcher beginnen, umeinander zu kreisen, obwohl die von NANOGrav erfassten Wellen nur emittiert werden, wenn sie sehr nahe beieinander sind. Das kann etwa 10 bis 100 Mal so groß sein wie der Durchmesser unseres Sonnensystems.
Aber wie kommen die Schwarzen Löcher nahe genug zusammen, um zu verschmelzen? Die Wechselwirkungen mit Gas und Staub in der verschmolzenen Galaxie könnten sie dazu bringen, sich spiralförmig nach innen zu bewegen. Wenn dies der Fall ist, würden die Schwarzen Löcher schließlich Gravitationswellen erzeugen, die von NANOGrav erfasst werden könnten.
Die Daten von NANOGrav deuten jedoch darauf hin, dass die meisten binären supermassiven Schwarzen Löcher nicht aufhören zu verschmelzen. Dies zeigt sich in den beobachteten Amplituden der Gravitationswellen, die darauf hindeuten, dass Verschmelzungen recht effektiv sind. Dies bedeutet, dass ein großer Teil der binären supermassiven Schwarzen Löcher in der Lage ist, von den großen Galaxienverschmelzungs-Skalen auf die viel kleineren Skalen herunterzukommen, auf denen Gravitationswellen erzeugt werden können.
Die Daten von NANOGrav wurden dank Millisekunden-Pulsaren gesammelt - schnell rotierende Neutronensterne, die mehrere hundert Male pro Sekunde Radiowellen an der Erde vorbeischwingen. Ihre Pulsationsrate ist aus unbekannten Gründen auf Zehntel Millisekunden genau. Die Idee, Pulsare zur Erkennung von Gravitationswellen zu verwenden, wurde bereits 1982 vom Astronomen Donald Backer entwickelt.
Die NANOGrav-Kollaboration hat über 15 Jahre lang 68 Pulsare überwacht und in der aktuellen Analyse 67 verwendet. Die Daten wurden von Teleskopen wie dem Arecibo Observatory in Puerto Rico, dem Green Bank Telescope in West Virginia und dem Very Large Array in New Mexico gesammelt. Zukünftige NANOGrav-Ergebnisse werden auch Daten vom Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) Radio-Teleskop enthalten.
Die fortlaufende Datensammlung und Analyse wird dazu beitragen, das Verständnis für die Hintergrund-Gravitationswellen und ihre Quellen zu vertiefen. Astronomen sind begeistert von den Aussichten der Gravitationswellen-Astronomie und erhoffen sich, mit dieser neuen Methode ein tieferes Verständnis für das Universum zu gewinnen.
Galaxienfusionen führen zu Schwarzen-Loch-Fusionen
Die meisten großen Galaxien sollen im Zentrum massive Schwarze Löcher haben, aber sie sind schwer zu entdecken, da das von ihnen ausgestrahlte Licht, das von Röntgenstrahlen bis zu Radiowellen reicht und entsteht, wenn Sterne und Gas in das Schwarze Loch fallen, normalerweise von umgebendem Gas und Staub blockiert wird. Kürzlich analysierte Ma die Bewegung von Sternen um das Zentrum einer großen Galaxie namens M87 und verfeinerte Schätzungen ihrer Masse - diese beträgt 5,37 Milliarden Sonnenmassen - obwohl das Schwarze Loch selbst vollständig verdeckt ist.
Die Idee, dass das supermassive Schwarze Loch im Zentrum von M87 ein binäres Schwarzes Loch sein könnte, ist sehr faszinierend. Allerdings gibt es noch keine Gewissheit darüber.
Ma sagte dazu: "Meine Frage für M87, oder auch für unser galaktisches Zentrum, Sagittarius A*, lautet: Könnte man in der Nähe des Haupt-Schwarzen Lochs, das wir untersucht haben, ein zweites Schwarzes Loch verbergen? Und ich denke, derzeit kann das niemand ausschließen. Ein eindeutiger Beweis für diese Entdeckung von Gravitationswellen, die von binären supermassiven Schwarzen Löchern stammen, müsste aus zukünftigen Studien stammen. Dort hoffen wir darauf, kontinuierliche Wellenerkennungen von einzelnen binären Quellen sehen zu können."
Simulationen von Galaxienfusionen deuten darauf hin, dass binäre supermassive Schwarze Löcher häufig auftreten, da die zentralen Schwarzen Löcher von zwei verschmelzenden Galaxien gemeinsam zum Zentrum der resultierenden größeren Galaxie sinken sollten. Diese Schwarzen Löcher würden beginnen, umeinander zu kreisen, jedoch emittieren die von NANOGrav erfassten Wellen nur, wenn sie sich sehr nahe zueinander bewegen - etwa 10 bis 100 Mal so groß wie der Durchmesser unseres Sonnensystems oder 1.000 bis 10.000 Mal die Entfernung zwischen Erde und Sonne, das entspricht etwa 93 Millionen Meilen.
Die Frage ist jedoch, ob Wechselwirkungen mit Gas und Staub in der verschmolzenen Galaxie die Schwarzen Löcher dazu bringen können, sich spiralförmig nach innen zu bewegen und sich so nahe zu kommen, dass eine Verschmelzung unvermeidlich wird.
Kelley erklärte dazu: "Dies war bisher eine der größten Unsicherheiten bei binären supermassiven Schwarzen Löchern: Wie gelangt man von kurz nach einer Galaxienfusion zu dem Punkt, an dem sie tatsächlich verschmelzen? Während Galaxienfusionen die beiden supermassiven Schwarzen Löcher auf etwa einen Kiloparsec (ungefähr 3.200 Lichtjahre) bringen, also etwa die Größe des Kerns einer Galaxie, müssen sie auf um ein Vielfaches kleinere Abstände schrumpfen, bevor sie tatsächlich Gravitationswellen erzeugen können."
Die Daten von NANOGrav deuten jedoch darauf hin, dass die meisten binären supermassiven Schwarzen Löcher diesen Prozess nicht stoppen.
Kelley erklärte: "Die Amplitude der Gravitationswellen, die wir beobachten, legt nahe, dass Fusionen ziemlich effektiv sind, was bedeutet, dass ein großer Teil der binären supermassiven Schwarzen Löcher von den großen Skalen der Galaxienfusionen zu den viel kleineren Subparsec-Skalen gelangen kann, auf denen Gravitationswellen tatsächlich erzeugt werden."
Die Daten von NANOGrav wurden mithilfe von Millisekunden-Pulsaren gesammelt - das sind schnell rotierende Neutronensterne, die mehrere hundert Male pro Sekunde einen Strahl von Radiowellen über die Erde bewegen. Die genaue Pulsationsrate dieser Pulsare ist aus unbekannten Gründen auf Bruchteile von Millisekunden genau.
Die NANOGrav-Kollaboration hat über einen Zeitraum von mehr als 15 Jahren insgesamt 68 Pulsare überwacht und für die aktuelle Analyse 67 von ihnen verwendet. Die gesammelten Daten wurden von Teleskopen wie dem Arecibo Observatory in Puerto Rico, dem Green Bank Telescope in West Virginia und dem Very Large Array in New Mexico erfasst. Zukünftige Ergebnisse von NANOGrav werden auch Daten des Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) Radio-Teleskops enthalten.
Die fortlaufende Datensammlung und Analyse wird dazu beitragen, das Verständnis für die Hintergrund-Gravitationswellen und ihre Quellen zu vertiefen. Astronomen sind begeistert von den Möglichkeiten der Gravitationswellen-Astronomie und erhoffen sich, durch diese neue Methode ein tieferes Verständnis des Universums zu erlangen.
