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FERMI
Suche nach Gravitationswellenhintergrund mit Gammastrahlen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
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11. April 2022

Die Kollision supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren wechselwirkender Galaxien füllt das Universum mit niederfrequenten Gravitationswellen. Mit großen Radioteleskopen wurde bereits nach diesen Wellen gesucht. Nun hat ein Team festgestellt, dass offenbar auch hochfrequente Gammastrahlung für diese Suche genutzt werden kann.

Fermi

Das Fermi-Teleskop sammelt Gammastrahlen von Millisekunden-Pulsaren. Ein Meer von niederfrequenten Gravitationswellen von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher führt dazu, dass die Photonen von den Pulsaren zeitverschoben eintreffen. Bild: Daniëlle Futselaar / MPIfR (artsource.nl) [Großansicht]

Im Herzen der meisten Galaxien befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Galaxien werden durch ihre heftige Gravitation zueinander hingezogen, und bei ihrer Verschmelzung sinken die zentralen Schwarzen Löcher in das neue Zentrum. Wenn diese sich nun spiralförmig nach innen bewegen und selbst miteinander verschmelzen, erzeugen sie extrem langwellige Gravitationswellen mit Hunderten von Billionen von Kilometern oder mehreren Lichtjahren Abstand zwischen den Wellenkämmen. Das Universum ist voll von solchen verschmelzenden supermassereichen Schwarzen Löchern, und sie füllen es mit einem Meer von niederfrequenten Raumzeitwellen.

Die Astronomie sucht seit Jahrzehnten nach diesen Wellen, indem sie die Pulse von Pulsaren, den dichten Überresten massereicher Sterne, systematisch beobachten. Pulsare rotieren mit extremer Regelmäßigkeit, und man weiß daher genau, wann jeder Puls zu erwarten ist. Das Meer der Gravitationswellen verändert jedoch auf subtile Weise den Zeitpunkt, an dem die Impulse die Erde erreichen, und die genaue Beobachtung vieler Pulsare am Himmel kann ihre Anwesenheit aufdecken.

Bei der bisherigen Suche nach diesen Wellen wurden ausschließlich große Radioteleskope eingesetzt, die Radiowellen sammeln und analysieren. Nun hat ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern diese winzigen Schwankungen der Raumzeit in Daten der Gammastrahlung gesucht, die über mehr als zehn Jahre mit dem Fermi-Satelliten der NASA aufgenommen wurden. Ihre Analyse zeigt, dass der Nachweis dieser Wellen mit nur wenigen Jahren zusätzlicher Beobachtungen bereits möglich sein könnte.

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"Fermi untersucht das Universum mit Gammastrahlen, der energiereichsten Form des Lichts. Wir waren überrascht, wie gut es die Art von Pulsaren aufspürt, die wir für die Suche nach diesen Gravitationswellen benötigen - bisher haben wir mehr als 100 gefunden", so Matthew Kerr, ein Wissenschaftler am U.S. Naval Research Laboratory in Washington. "Das Fermi-Teleskop und die Gammastrahlen haben einige besondere Eigenschaften, die sie zusammen zu einem sehr mächtigen Werkzeug bei dieser Untersuchung machen."

Licht nimmt viele Formen an. Niederfrequente Radiowellen können einige Objekte durchdringen, während hochfrequente Gammastrahlen in energetische Teilchenschauer explodieren, wenn sie auf Materie treffen. Gravitationswellen decken ebenfalls ein breites Spektrum ab, wobei massereichere Objekte tendenziell längere Wellen erzeugen. Da es unmöglich ist, einen Detektor zu bauen, der groß genug ist, um Wellen mit Billionen von Kilometer Wellenlänge aufzuspüren, die von miteinander verschmelzenden supermassereichen Schwarzen Löchern erzeugt werden, verwendet die Forschung in der Natur bereits vorhandene Detektoren in Form sogenannter Pulsar-Timing-Arrays.

Dabei handelt es sich um Ansammlungen von Millisekunden-Pulsaren, die sowohl in Radiowellen als auch in Gammastrahlen leuchten und sich jede Sekunde Hunderte von Malen um ihre Achse drehen. Wie Leuchttürme scheinen diese Strahlen regelmäßig zu pulsieren, wenn sie über die Erde hinwegziehen, und wenn sie durch das Meer der Gravitationswellen hindurchgehen, wird ihnen das schwache Grollen entfernter, massereicher Schwarzer Löcher aufgeprägt.

Ursprünglich wurden Pulsare mithilfe von Radioteleskopen entdeckt, und Pulsar-Timing-Array-Experimente mit Radioteleskopen sind seit fast zwei Jahrzehnten in Betrieb. Die großen Parabolspiegel sind am empfindlichsten für die Auswirkungen von Gravitationswellen, aber interstellare Effekte erschweren die Analyse der Radiodaten. Das Weltall ist größtenteils leer, aber beim Durchqueren der riesigen Entfernung zwischen einem Pulsar und der Erde treffen die Radiowellen immer noch auf viele Elektronen. Ähnlich wie ein Prisma das sichtbare Licht beugt, verbiegen die interstellaren Elektronen die Radiowellen und verändern so ihre Ankunftszeit. Die energiereichen Gammastrahlen werden auf diese Weise nicht beeinflusst, so dass sie eine ergänzende und unabhängige Methode des "Pulsar Timings" darstellen.

"Die Fermi-Ergebnisse sind bereits 30 % so gut wie die Pulsar-Timing-Arrays im Radiobereich, wenn es darum geht, den Gravitationswellenhintergrund nachzuweisen", sagt Aditya Parthasarathy vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. "Wenn wir weitere fünf Jahre lang Pulsardaten sammeln und analysieren, wird das System genauso gut sein, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass wir uns keine Sorgen um all die verirrten Elektronen machen müssen." Ein Pulsar-Timing-Array in Gammawellenlängen, das vor dem Start von Fermi nicht vorgesehen war, stellt eine leistungsstarke neue Ergänzung in der Gravitationswellen-Astrophysik dar.

"Der Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds mit Pulsaren ist in Reichweite, bleibt aber schwierig. Eine unabhängige Methode, wie sie hier unerwartet durch Fermi gezeigt wurde, ist eine großartige Neuigkeit, sowohl für die Bestätigung zukünftiger Ergebnisse als auch für die Demonstration von Synergien mit Radioexperimenten", schließt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung "Radioastronomische Fundamentalphysik".

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Science erschienen ist.

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siehe auch
Pulsartiming: Auf der Spur des Gravitationswellen-Hintergrunds - 27. Oktober 2021
Dunkle Materie: Was Gravitationswellen verraten könnten - 16. März 2021
Pulsare: Die Milchstraße als Gravitationswellendetektor - 15. Mai 2009
Links im WWW
The Fermi-LAT Collaboration (2022): A gamma-ray pulsar timing array constrains the nanohertz gravitational wave background, Science, 10.1126/science.abm3231
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
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