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Radiobeobachtungen liefern Hinweis auf niederfrequente Gravitationswellen
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
29. Juni 2023
Radiobeobachtungen von Pulsaren aus mehr als 25 Jahren haben
starke Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen mit extrem niedrigen
Frequenzen im Nanohertz-Bereich geliefert. Sie dürften von Paaren extrem
massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren verschmelzender Galaxien stammen
und könnten der Astronomie ein neues Fenster ins Universum öffnen.
Künstlerische Darstellung eines Pulsar-Timing-Experiments. Bild: Daniëlle
Futselaar (artsource.nl) / MPIfR [Großansicht] |
Der Nachweis von Gravitationswellen sollte nicht nur mit erdgebundenen oder
weltraumgestützten Detektoren möglich sein, sondern auch durch
Radiobeobachtungen von Pulsaren in weit entfernten Galaxien - zumindest von ganz
bestimmten Gravitationswellen. Das war bislang allerdings bloße Theorie. Ein
internationales Forschungsteam des europäischen Pulsar-Timing-Array (EPTA) und
des indischen Pulsar-Timing-Array (InPTA) hat nun die Ergebnisse von Messungen
vorgestellt, die über einen Zeitraum von 25 Jahren durchgeführt wurden. Die
Daten lassen auf neue Erkenntnisse in Bezug auf die Entstehung und Entwicklung
unseres Universums und seiner Galaxien hoffen.
EPTA ist ein Zusammenschluss von Forschenden aus mehr als zehn Institutionen
in ganz Europa und soll Expertise aus Astronomie und theoretischer Physik
zusammenbringen, um durch Beobachtungen der extrem regelmäßigen Pulse von einer
besonderen Art erloschener Sternen, den sogenannten Pulsaren, einen
Gravitationswellen-Detektor von der Größe einer Galaxie zu aufzuspannen.
"Pulsare sind hervorragende natürliche Uhren. Wir nutzen die unglaubliche
Regelmäßigkeit ihrer Signale, um nach winzigen Veränderungen in ihrem Ticken zu
suchen und so die minimalen Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit durch
Gravitationswellen aus dem fernen Universum nachzuweisen", erklärt Dr. David
Champion, leitender Wissenschaftler am Max-Planck-Institute für Radioastronomie
(MPIfR) in Bonn.
Dieser riesige Gravitationswellen-Detektor, der sich von der Erde bis zu 25
ausgewählten Pulsaren in der gesamten Galaxis erstreckt, ermöglicht die
Untersuchung von Gravitationswellen-Frequenzen, die weit unter denen in anderen
Experimenten gemessenen liegen. Die Beobachtungen werfen ein Licht auf das
Gravitationswellen-Universum im Nanohertz-Bereich und enthüllen einzigartige
Quellen und neue Phänomene.
"Im Zentrum von Galaxien lauern supermassereiche Schwarze Löcher, die mehrere
Millionen Mal schwerer sind als die Sonne. Wenn die Pulse der Pulsare zur Erde
gelangen, werden sie von den schwachen, weit entfernten Echos der
Gravitationswellen geprägt, die von diesen monströsen Schwarzen Löchern
ausgesendet werden", sagt Dr. Aditya Parthasarathy, Forscher am MPIfR. Diese
Echos enthalten Informationen über die kosmische Population supermassereicher
binärer Schwarzer Löcher, die sich bei der Verschmelzung von Galaxien bilden und
ein neues Fenster ins Universum eröffnen.
Die vorgestellten Ergebnisse basieren auf jahrzehntelangen koordinierten
Beobachtungskampagnen mit den fünf größten Radioteleskopen in Europa: dem
100-m-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland, dem Lovell-Teleskop in
Großbritannien, dem Nançay-Radioteleskop in Frankreich, dem Sardinia-Radioteleskop
in Italien und dem Westerbork-Radiosyntheseteleskop in den Niederlanden. "Die
Daten des Effelsberger Teleskops erstrecken sich über mehr als 25 Jahre",
unterstreicht Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn. "Das ist wichtig,
denn es macht das EPTA einzigartig empfindlich für die niedrigsten untersuchten
Frequenzen."
"Einmal im Monat", fügt Dr. Kuo Liu vom MPIfR in Bonn hinzu, "nehmen die
europäischen Teleskope als Large European Array for Pulsars (LEAP) außerdem
gemeinsam Daten auf, um eine zusätzliche Empfindlichkeit zu erreichen, die mit
der des größten Radioteleskops der Erde vergleichbar ist." Diese Beobachtungen
wurden auch durch Daten des InPTA in Indien ergänzt, was zur Entwicklung eines
einzigartigen empfindlichen Datensatzes geführt hat. "Unsere Teleskope haben die
Pulsare sehr oft und über einen sehr langen Zeitraum hinweg beobachtet",
erläutert Dr. Yajun Gou, Forscherin am MPIfR. "Wir können Frequenzen der
Gravitationswellen aufspüren, die so langsam sind wie eine Schwingung alle 30
Jahre, was die Empfindlichkeit gegenüber Doppelsternsystemen mit Schwarzen
Löchern mit Umlaufzeiten von bis zu 50 Jahren verbessert."
Im Gegensatz dazu ermöglicht die hohe zeitliche Dichte der Daten die
Untersuchung von Frequenzen, die bis zu 100 Schwingungen pro Monat betragen.
"Wir können Doppelsysteme von Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von wenigen
Jahren bis zu Monaten herunter untersuchen", unterstreicht Doktorand Jiwoon
Jang. Die Bekanntgabe der EPTA-Ergebnisse erfolgt in Abstimmung mit ähnlichen
Veröffentlichungen anderer Kollaborationen weltweit, nämlich der australischen,
der chinesischen und der nordamerikanischen Pulsar-Timing-Array
(PTA)-Kollaborationen, abgekürzt PPTA, CPTA bzw. NANOGrav.
Die Astronominnen und Astronomen sind sich sicher, dass es sich bei dem, was
sie sehen, um Signaturen von Gravitationswellen handelt, da ihre Ergebnisse mit
ähnlichen Daten und Ergebnissen in allen PTA-Kollaborationen übereinstimmen und
von diesen unterstützt werden. "Die Analyse der Daten von Pulsar-Timing-Arrays
wird dadurch erschwert, dass PTAs astrophysikalische Objekte als Detektoren
verwenden", erläutert Dr. Jonathan Gair, Gruppenleiter in der Abteilung
"Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie" am
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in
Potsdam. "Es gibt viele verschiedene Rauschquellen, die die Pulsare selbst
mitbringen und die bei der Suche nach der Signatur der Gravitationswellen
berücksichtigt werden müssen. Das Signal selbst ist darüber hinaus zufällig, so
dass es wie Rauschen aussieht."
Die jetzt vorgestellte Analyse der EPTA-Daten entspricht den Erwartungen von
Astrophysikern. Der Goldstandard in der Physik für die Entdeckung eines neuen
Phänomens ist jedoch, dass das Ergebnis des Experiments mit einer
Wahrscheinlichkeit von weniger als einem Mal in einer Million zufällig auftritt.
Das von EPTA - wie auch von den anderen internationalen Kollaborationen -
berichtete Ergebnis erfüllt dieses Kriterium noch nicht.
Forschende der meisten führenden PTAs führen jedoch ihre Datensätze unter der
Schirmherrschaft des International Pulsar-Timing-Array zusammen. Ziel ist es,
die aktuellen Datensätze zu erweitern, indem ein Netzwerk von über 100 Pulsaren
genutzt wird, die mit dreizehn Radioteleskopen beobachtet wurden, und mehr als
1000 Beobachtungen für jeden Pulsar bündeln. Diese Daten sollten es den
Forschenden ermöglichen, einen unwiderlegbaren Beweis für das Vorhandensein
eines Gravitationswellen-Hintergrunds bei Nanohertz-Frequenzen zu erbringen.
Über die Beobachtungen wird in drei Fachartikeln berichtet, die in der
Zeitschrift
Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden.
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