Quelle: Swinburne University, SARAO, 3. Dezember 2024.

Hawthorn/Australien, 3. Dezember 2024 – Im Rahmen der Studie wurde auch der bisher größte Detektor für Gravitationswellen im galaktischen Maßstab gebaut und weitere Beweise für einen „Hintergrund“ von Gravitationswellen gefunden: unsichtbare, aber unglaublich schnelle Wellen im Weltraum, die dazu beitragen können, einige große Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln.

Die drei heute veröffentlichten Studien bieten neue Einblicke in die größten Schwarzen Löcher des Universums, in die Art und Weise, wie sie das Universum geformt haben, und in die kosmische Architektur, die sie hinterlassen haben.

Dr. Matt Miles, Hauptautor von zwei der Arbeiten und Forscher bei OzGrav und Swinburne, sagt, dass die Forschung neue Wege zum Verständnis des Universums, in dem wir leben, eröffnet.

„Die Untersuchung des Hintergrunds ermöglicht es uns, das Echo kosmischer Ereignisse über Milliarden von Jahren hinweg zu verstehen“, erklärt Dr. Miles. „Es zeigt, wie sich Galaxien und das Universum selbst im Laufe der Zeit entwickelt haben.

Die wichtigsten Ergebnisse:

Noch nie dagewesenes Gravitationswellensignal
Die Studie lieferte weitere Hinweise auf Gravitationswellensignale, die von verschmelzenden supermassereichen schwarzen Löchern ausgehen, und erfasste ein Signal, das stärker war als bei ähnlichen globalen Experimenten, und das in nur einem Drittel der Zeit.

„Was wir hier sehen, deutet auf ein viel dynamischeres und aktiveres Universum hin, als wir erwartet haben“, so Dr. Miles. „Wir wissen, dass supermassereiche Schwarze Löcher da draußen verschmelzen, aber jetzt beginnen wir uns zu fragen: Wo sind sie und wie viele gibt es?“

Detaillierte Gravitationswellenkarten mit unerwarteten Hotspots

Mithilfe des Pulsar-Timing-Arrays erstellten die Forscher eine sehr detaillierte Gravitationswellenkarte, die die bisherigen Methoden verbessert. Diese Karte enthüllte eine verblüffende Anomalie – einen unerwarteten Hotspot im Signal, der auf eine mögliche Richtungsabweichung hindeutet.

Rowina Nathan, Hauptautorin einer der Studien und Forscherin bei OzGrav und an der Monash University, sagt, dass die Karte einen noch nie dagewesenen Einblick in die Struktur unseres Universums bietet.

„Das Vorhandensein eines Hotspots könnte auf eine eindeutige Gravitationswellenquelle hindeuten, etwa ein Paar schwarzer Löcher mit der milliardenfachen Masse unserer Sonne“, sagt sie. „Die Betrachtung des Aufbaus und der Muster von Gravitationswellen zeigt uns, wie unser Universum heute existiert und enthält Signale, die bis zum Urknall zurückreichen. Es gibt noch mehr zu tun, um die Bedeutung des von uns gefundenen Hotspots zu bestimmen, aber dies ist ein aufregender Schritt nach vorn für unser Gebiet.“

MeerKAT-Radioteleskop

Mit Hilfe des MeerKAT-Radioteleskops in Südafrika, einem der empfindlichsten und modernsten Instrumente der Welt, konstruierten die Forscher das MeerKAT Pulsar Timing Array, mit dem sie Pulsare beobachten und auf Nanosekunden genau messen konnten.

Pulsare – sich schnell drehende Neutronensterne – dienen als natürliche Uhren, und ihre gleichmäßigen Pulse ermöglichen es den Wissenschaftlern, winzige Veränderungen zu erkennen, die durch vorbeiziehende Gravitationswellen verursacht werden. Dieser Detektor im galaktischen Maßstab bietet die Möglichkeit, Gravitationswellen am gesamten Himmel zu kartieren und dabei Muster und Schwankungen aufzudecken, die bisherige Annahmen in Frage stellen.

Laut Nathan wird oft angenommen, dass der Gravitationswellenhintergrund gleichmäßig über den Himmel verteilt ist.

„Der Gravitationswellendetektor von galaktischer Größe, der aus dem MeerKAT-Pulsar-Timing-Array besteht, hat es uns jedoch ermöglicht, die Struktur dieses Signals mit noch nie dagewesener Präzision zu kartieren, was Aufschluss über seine Quelle geben könnte.“

Diese Messungen eröffnen spannende neue Fragen über die Entstehung massereicher Schwarzer Löcher und die Frühgeschichte des Universums. Weitere Beobachtungen mit dem MeerKAT-Array werden diese Gravitationswellenkarten verfeinern und möglicherweise neue, bisher verborgene kosmische Phänomene aufdecken. Die Forschung hat auch weitreichende Auswirkungen, da sie Daten liefert, die den Wissenschaftlern helfen könnten, die Entstehung und Entwicklung supermassereicher schwarzer Löcher, die Bildung von Galaxienstrukturen und möglicherweise sogar die frühesten Ereignisse in der Geschichte des Universums besser zu verstehen.

Kathrin Grunthal, Forscherin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Mitautorin einer der Studien, sagt, dass sie in Zukunft den Ursprung des Gravitationswellensignals aus den Datensätzen verstehen wollen.

„Indem wir nach Variationen im Gravitationswellensignal am Himmel suchen, sind wir auf der Suche nach den Fingerabdrücken der astrophysikalischen Prozesse, die unser Universum formen.“

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

Video: Ryan Shannon – First Results from the MeerKAT Pulsar Timing Array 

Weitere Informationen: The MeerKAT Pulsar Timing Array: the first search for gravitational waves with the MeerKAT radio telescope

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• Square Kilometre Array (SKA)

Der Beitrag Neue Karte des Universums nutzt Gravitationswellen, um verborgene schwarze Löcher und kosmische Strukturen zu entdecken erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Am 9. Oktober 2022 registrieren Weltraumteleskope ein gewaltiges Ereignis tief im Kosmos: einen Gammablitz im Sternbild Pfeil, bei dem so viel hochenergetische Gammastrahlung abgegeben wird wie nie zuvor beobachtet. Dieses Ereignis war nicht nur von astronomischem Interesse, denn die ankommende Strahlung ließ kurzzeitig sogar geladene Teilchen in den obersten Schichten der Erdatmosphäre verrückt spielen. Störsignale im Radiobereich waren die Folge – und das trotz einer Entfernung von 2,4 Milliarden Lichtjahren.

Karl erzählt in dieser Folge, ob solche Ereignisse in größerer Nähe zu unserem Planetensystem das Leben auf der Erde beeinträchtigen könnten. Es geht wieder mal um Massensterben in der geologischen Geschichte – und wie neue Methoden aus Physik und Astrophysik helfen können, diese erdgeschichtlichen Kriminalfälle aufzuklären. Denn zurzeit machen solche Verfahren große Fortschritte. Die Asche vor langer Zeit explodierter Sterne wurde bereits in alten Sedimentschichten gefunden – und in einem Fall sogar einer Sternenleiche zugeordnet.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Gamma Ray Bursts (GRBs)
• Supernovae
• Planet Erde

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Quelle: AEI 26. August 2024.

26. August 2024 – Anfang 2024 genehmigte die Europäische Weltraumorganisation mit LISA das erste Gravitationswellen-Observatorium im All. LISAs Start ist für 2034 geplant. Stärke, Anzahl und Art der Signale, die LISA beobachten wird, werden sich deutlich von denen unterscheiden, die bodengestützte Detektoren messen können. Dadurch erschließt sich ein völlig neuer Bereich des Gravitationswellen-Spektrums. Dies stellt die Wissenschaftler*innen vor zahlreiche Herausforderungen, denn sie müssen nun die theoretischen und datenanalytischen Instrumente entwickeln, um LISAs Potenzial voll ausschöpfen zu können. Beim Workshop „Fundamental Physics Meets Waveforms with LISA“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) im Potsdam Science Park werden vom 2. bis 6. September 2024 etwa 140 Forschende diese Methoden diskutieren.

LISA wird Gravitationswellen in dem noch unerforschten Bereich zwischen 0,1 mHz und 0,1 Hz nachweisen. In diesem Teil des Spektrums, der sich von der Erde aus nicht beobachten lässt, gibt es im Universum viele starke Quellen von Gravitationswellen: Doppelsysteme massereicher Schwarzer Löcher, kleine Schwarze Löcher, die um massereichere Schwarze Löcher kreisen und in diese hineinstürzen, sowie enge Doppelsternsysteme in unserer Milchstraße. LISA wird in der Lage sein, Doppelsysteme von Schwarzen Löchern mit Sternenmassen viele Jahre vor deren Verschmelzung zu entdecken. Ein Gravitationswellen-Hintergrund und möglicherweise völlig neue und unerwartete Quellen stehen ebenfalls auf der Liste möglicher künftiger Entdeckungen.

Neue Quellen erfordern neue Werkzeuge
Um LISAs Möglichkeiten voll auszuschöpfen, sind genaue und effiziente Vorhersagen der erwarteten Wellenformen für die neuen Quellen unerlässlich. Darüber hinaus werden für die effiziente und genaue Parameterbestimmung in den LISA-Daten neue Berechnungsmethoden und maschinelle Lernverfahren benötigt.

Der Workshop bringt nun die „Fundamental Physics“- und „Waveform“- Arbeitsgruppen des LISA-Konsortiums zusammen, um:

• die theoretischen Entwicklungen und Werkzeuge der Datenanalyse zu diskutieren, die notwendig sind, um mit LISA die Allgemeine Relativitätstheorie im Bereich starker Gravitationsfelder zu testen und um Schwarze Löcher zu untersuchen,
• wichtige Entwicklungen von Wellenformen für verschiedene Quellen von Gravitationswellen zu identifizieren, die für die Validierung der LISA-Daten und die wissenschaftliche Nutzung erforderlich sind.

Der Workshop wird von der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI in Potsdam ausgerichtet, die eine Schlüsselrolle bei der Vorbereitung der wissenschaftlichen Nutzung von LISA spielt.

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• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory

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Quelle: Universität Zürich 5. August 2024.

5. August 2024 – Der Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien ist eines der grössten Rätsel der Astronomie. Diese Objekte könnten entweder bereits früh im Universum mit grosser Masse entstanden sein oder im Laufe der Zeit durch das Ansammeln von Materie und durch die Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern gewachsen sein. Wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch ein anderes massereiches Schwarzes Loch verschlingt, entstehen Gravitationswellen, die sich als kleine Erschütterungen in der Raumzeit durch das Universum bewegen.

Detektion massereicher Schwarzer Löcher als Herausforderung
Vor knapp zehn Jahren gelang Astrophysikern zum ersten Mal der direkte Nachweis von Gravitationswellen, welcher der Astronomie ein neues Fenster ins Universum öffnete. Bisher konnten diese Gravitationswellen jedoch nur von relativ kleinen Schwarzen Löchern gemessen werden, die Überreste sterbender Sterne sind und somit das Endstadium schwerer Sterne darstellen. Das Erkennen der Signale von Paaren weitaus schwerer Schwarzer Löcher ist mit heutiger Technologie nicht möglich, da die Detektoren nicht empfindlich genug auf die extrem niedrigen Frequenzen dieser Gravitationswellen reagieren. Zukünftige Missionen wie die von der ESA geleitete LISA (Laser Interferometer Space Antenna) sollen dies ändern. Dennoch bleibt die Detektion der massereichsten Schwarzen Loch Paare eine grosse Herausforderung.

Hohe Frequenzen nutzen, um niedrigere Frequenzen zu messen
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung ehemaliger Studenten der Universität Zürich schlägt eine neuartige Methode vor, um Paare der grössten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien zu entdecken. Diese Methode nutzt die Analyse von Gravitationswellen kleiner nahegelegener Schwarzer Löcher, welche die Überreste sterbender Sterne sind. Diese neue Beobachtungstechnik erfordert einen Gravitationswellendetektor im Dezihertz-Bereich und könnte das Studium supermassereicher Schwarzer Löcher ermöglichen, die ansonsten unentdeckt bleiben würden.

«Unsere Idee funktioniert im Grunde wie das Hören eines Radiosenders. Wir schlagen vor, das Signal von Paaren kleiner Schwarzer Löcher ähnlich wie Radiowellen zu nutzen. Die supermassereichen Schwarzen Löcher verhalten sich dabei ähnlich wie die Radiomusik, die in Form einer Frequenzmodulation (FM) des empfangenen Signals übertragen wird», erklärt Jakob Stegmann, Hauptautor der Studie, die er als Gaststudent an der Universität Zürich begann und als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik fortführte. «Das Neue an dieser Idee ist, hohe Frequenzen zu nutzen, die leicht zu erkennen sind, um niedrigere Frequenzen zu messen, die unsere Instrumente eigentlich nicht detektieren können.»

Ein Leuchtfeuer zeigt grössere Schwarze Löcher an
Aktuelle Ergebnisse dieser pulsar timing arrays unterstützen bereits die Existenz von verschmelzenden supermassereichen Schwarzen Loch-Paaren. Diese Beweise sind jedoch indirekt und resultieren aus dem kollektiven Signal vieler entfernter Paare, die effektiv ein Hintergrundrauschen erzeugen.

Die vorgeschlagene Methode zur Detektion einzelner supermassereicher Schwarzer Loch-Paare nutzt die subtilen Veränderungen, die sie in den von einem Paar nahegelegener kleiner Schwarzer Löcher emittierten Gravitationswellen verursachen. Diese wirken somit als eine Art Leuchtfeuer, das die Existenz der grösseren Schwarzen Löcher anzeigen. Durch die Erkennung der winzigen Modulationen in den Signalen der kleinen Schwarzen Löcher könnten Wissenschaftler selbst über grosse Entfernungen hinweg bisher verborgene Paare supermassereicher Schwarzer Löcher mit Massen von 10 Millionen bis 100 Millionen Sonnenmassen identifizieren.

Lucio Mayer, Mitautor der Studie und Theoretiker für Schwarze Löcher an der Universität Zürich, fügt hinzu: «Da der Weg für LISA nun feststeht, nachdem die ESA die Mission im letzten Januar bestätigt hat, muss die wissenschaftliche Gemeinschaft die beste Strategie für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren ausloten, insbesondere in welchem Frequenzbereich man sich konzentrieren sollte. Studien wie diese liefern eine starke Motivation, ein Detektordesign im Dezihertz-Bereich zu priorisieren.»

Publikation:
Stegmann J.; Zwick L.; Vermeulen S. M.; Antonini F.; Mayer L. Imprints of massive black-hole binaries on neighbouring decihertz gravitational-wave sources. Nature Astronomy, 5 August 2024. doi:10.1038/s41550-024-02338-0 (2024).
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02338-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02338-0.pdf

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• Gravitationswellen

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Quelle: Humboldt-Universität zu Berlin 27. Juni 2024.

27. Juni 2024 – Unter der Leitung von Prof. Dr. Jan Plefka vom Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) hat ein internationales Team die Dynamik aufeinandertreffender Schwarzer Löcher mit bisher unerreichter mathematischer Präzision beschrieben. Ihre in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie liefert neue Einblicke in die Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen Objekten in unserem Universum.

Schwarze Löcher sind die Objekte mit der höchsten Massendichte in unserem Universum. Ihre gravitative Kraft ist so groß, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Wenn sich die Schwarzen Löcher aufeinander zubewegen, werden Gravitationswellen emittiert – ein Phänomen, das Albert Einstein bereits 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben hat und das an Gravitationswellendetektoren wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO, in den USA auch schon beobachtet wurde.

Kombination von Methoden ermöglicht präzise Beschreibung
Das Team von Physikern der Humboldt-Universität, dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und dem CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, hat nun die Streuung zweier Schwarzer Löcher und die durch die Anziehungskraft zwischen beiden Massen entstehenden Wechselwirkungen hochpräzise berechnet. Dafür haben sie Methoden aus der Quantenfeldtheorie und der Teilchenphysik auf das klassische Zwei-Körper-Problem der Physik übertragen. Mit dieser Vorgehensweise, die modernste mathematische Integrationstechniken und Hochleistungsrechner erforderte, konnten sie eine ganz neue Ebene der Präzision erreichen.

„Die Lösung dieses Problems markiert eine neue Grenze für Mehrschleifen-Berechnungen und effektive Feldtheorie-Techniken“, sagt Jan Plefka, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie am Institut für Physik der HU. „Wir mussten jeden Aspekt optimieren, von der Erzeugung des Integranden bis hin zur Entwicklung neuer Integrationsmethoden“, ergänzt Benjamin Sauer, Co-Autor und Doktorand in Plefkas Arbeitsgruppe. Insgesamt mussten etwa fünfhunderttausend 16-dimensionale Integrale, die den Streuwinkel beschreiben, auf 470 Masterintegrale reduziert werden, die dann berechnet wurden.

Hochpräzise Gravitationswellenmodelle für zukünftigen Detektor im Weltall
Mit ihren Berechnungen haben die Physiker eine näherungsweise Lösung des fundamentalen Zwei-Körper-Problems geliefert und zugleich die Grundlage für fortgeschrittene Gravitationswellenmodelle gelegt, die für Detektoren der nächsten Generation benötigt werden – so wie für die Laser Interferometer Space Antenna, LISA, einen Gravitationswellendetektor, den die Europäische Weltraumorganisation im All aufbauen will. Die höhere Präzision wird extrem genaue Tests der Einstein‘schen Theorie und neue Einblicke in die Kern- und Gravitationsphysik von Doppelsystemen rotierender Schwarzer Löcher ermöglichen.

„Unsere Ergebnisse bringen die Vorhersage von Gravitationswellen, die von Begegnungen zweier Schwarzen Löchern ausgehen, auf eine noch nie dagewesene Genauigkeit“, sagt Dr. Gustav Uhre Jakobsen, Co-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der HU-Arbeitsgruppe. „Dies eröffnet brillante neue Möglichkeiten, um Aussagen zu fundamentalen Fragen der Physik aus künftigen Gravitationswellenbeobachtungen zu extrahieren.“

Publikation:
Conservative Black Hole Scattering at Fifth Post-Minkowskian and First Self-Force Order
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.241402
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.241402

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Die Gravitationswellen entstehen zum Beispiel, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren. Im zukünftigen Gravitationswellendetektor, dem Einstein-Teleskop, wird dafür die neueste Lasertechnologie genutzt werden.

Wie das Universum Gold macht
Im Sommer 2017 gab es für Astronomen einen extrem aufregenden Tag: Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Sofort wurden hunderte Teleskope auf der ganzen Welt auf den vermuteten Ursprungsort ausgerichtet und tatsächlich sah man dort einen aufleuchtenden Himmelskörper. Zum ersten Mal war es gelungen, die Kollision von zwei Neutronensternen sowohl als Gravitationswelle als auch optisch zu erfassen.

Neutronensterne sind etwas ganz Besonderes im Universum: Sie sind ausgebrannte Sterne, die schon lange nicht mehr leuchten. Sie wiegen etwas mehr als unsere Sonne, quetschen ihre Masse aber in eine Kugel von weniger als 20 km Durchmesser. Die Wucht bei ihrem Zusammenstoß ist so groß, dass Atomkerne zerrissen werden. Gigantische Mengen von Massen werden ausgestoßen und schwere Atome wie Gold können entstehen.

»Im Vergleich zur Masse der Neutronensterne ist es nicht viel Gold, das da entsteht – nur ein paar Mondmassen«, erklärt schmunzelnd Professor Achim Stahl, ein Astrophysiker von der RWTH Aachen University. »Aber die Forschung ist sich ziemlich sicher, dass das meiste Gold im Universum bei solchen gigantischen Explosionen entstanden ist.« Der goldene Ring, den wir am Finger tragen, hat also schon galaktische Geschichte erlebt.

Gravitationswellendetektoren eröffnen ein neues Kapitel in der Astronomie
Dank der Gravitationswellendetektoren wissen wir schon jetzt mehr über die Kollisionen von Neutronensternen. Für galaktische Verhältnisse sind das sehr schnelle Prozesse. Früher hat man mit viel Glück einen Gammablitz von weniger als einer Sekunde registriert. Wenn schwarze Löcher kollidieren, ist das mit den aktuellen Gravitationswellendetektoren messbare Signal sehr kurz. Etwas mehr als 0,2 Sekunden lang war das Signal der ersten Gravitationswelle, die 2015 gemessen wurde. Solche Wellen entstehen, wenn ultraschwere Objekte im Universum umeinanderkreisen und dann kollidieren.

Das im Sommer 2017 detektierte Signal war 100 Sekunden lang, womit sofort klar war, dass das etwas Neues sein musste. Kurz nach dem Ende des Gravitationssignals konnte der Gammablitz aufgezeichnet werden, später wurde das Nachglühen der Explosion in verschiedenen Wellenlängenbereichen beobachtet und Spuren schwerer Elemente wie Gold und Platin nachgewiesen. Das Ereignis wurde als Kollision zweier Neutronensterne identifiziert. Mit der gleichzeitigen Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen wurde ein neues Kapitel in der beobachtenden Astronomie begonnen. »Tatsächlich war das optische Signal entscheidend, um den Stern am Himmel zu finden«, erklärt der Astrophysiker Stahl den Vorteil.

Unsere »Ohren« zum Universum
Über Jahrhunderte hat sich die Astronomie auf Beobachtungen von sichtbarer Strahlung beschränkt. Mit dem besseren Verständnis des elektromagnetischen Spektrums kamen viele neue Beobachtungsmethoden hinzu, Radiowellen wurden aufgezeichnet und über Berechnungen und Simulationen wurde das Wissen der Menschheit deutlich erweitert.

Als Albert Einstein vor gut hundert Jahren seine allgemeine Relativitätstheorie postulierte, entstand auch der Gedanke, dass es Wellen geben könnte, die nichts mit dem elektromagnetischen Spektrum zu tun haben. Ähnlich wie eine Schallwelle sollten sie einen Probekörper in großem Abstand noch etwas »wackeln« lassen. Große beschleunigte Massen sollten solche Wellen durch den Raum schicken. Auf der Erde ist das Wackeln, das die Gravitationswellen verursachen, allerdings so schwach, dass die Bewegung wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Atoms ist. Inzwischen ist es tatsächlich gelungen, Gravitationswellen zu messen. Für Astronomen ist das ein neues Zeitalter.

Möglich wird das durch sogenannte Laserinterferometer. Sie bestehen aus zwei Armen mit Spiegeln an den Enden. Ein Laserstrahl kommt in das Interferometer und wird an einem Strahlteiler in der Mitte geteilt. Er läuft zu den Endspiegeln in den zwei Armen und wieder zurück zum Strahlteiler. Ändert sich die Position des Spiegels am Ende eines Arms, variiert die Laufzeit des jeweiligen Laserstrahls um einen winzigen Betrag. Dieser Betrag lässt sich messen, indem man den Laserstrahl vom betroffenen Spiegel mit einem Laserstrahl aus dem anderen Interferometerarm vergleicht, bei dem der Spiegel nicht bewegt wurde.

Die Präzision dieser Messung in den aktuellen Gravitationswellendetektoren ist auch für Physiker immer wieder erstaunlich: »Wir messen auf weniger als einem Zweitausendstel Protonendurchmesser genau«, erklärt Professor Stahl. Zu Erinnerung: Protonen sind die Bestandteile von Atomkernen. »Es ist schon ironisch, dass wir für den Nachweis der größten Ereignisse im Universum, der Vereinigung von schwarzen Löchern, eine Präzision brauchen, die sich an den kleinsten uns bekannten Teilchen misst«, ergänzt er nachdenklich.

Erste Versuche, Gravitationswellen zu messen, gab es schon in den 1960er Jahren. Aber erst die aktuelle zweite Generation von Laser-Messgeräten schafft die extreme Genauigkeit und hat inzwischen etwa 100 Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen detektiert.

Das Einstein-Teleskop
Professor Stahl gehört der deutschen Einstein-Teleskop-Community an und arbeitet derzeit an der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren. Messgeräte dieser dritten Generation sollen noch zehn Mal empfindlicher sein als die derzeit genutzten. Nach dem Begründer der allgemeinen Relativitätstheorie wurde das geplante Gravitationswellenobservatorium »Einstein-Teleskop« genannt. »Wir wollen damit einen tausendfach größeren Bereich des Universums auf Gravitationswellen untersuchen. Und wir sollten dann erheblich mehr Quellen finden, für die die aktuellen Instrumente nicht empfindlich genug sind«, erklärt der Astrophysiker. Das betrifft dann auch noch schwerere Objekte, die Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen abstrahlen.

Das Einstein-Teleskop soll aus drei ineinander verschachtelten Detektoren bestehen. Zu jedem dieser Detektoren gehören zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen. Damit möglichst viele Störungen abgeschirmt werden, soll das Observatorium 250 m unter der Erde gebaut werden.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler denken aber schon viel weiter: »Das Einstein-Teleskop wird zusammen mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum arbeiten, die den Bereich von Radio- bis zu Gammastrahlen abdecken. Wir nennen das Multimessenger-Astronomie«, beschreibt Professor Stahl die Vision. »Neben den ›Ohren‹ für die Gravitationswellen haben wir dann auch ›Augen‹, die ganz verschiedene Signale erfassen. Zusammen liefern diese dann eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, wie sie noch niemand je gesehen hat.«

Bislang konnte man auf gut Glück den Himmel beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Die Gravitationswellendetektoren laufen in Zukunft ständig und »hören«, wenn ein Signal erscheint. Wenn mehrere solche Detektoren das Signal erfassen, kann seine Ursprungsregion berechnet und andere optische Teleskope darauf ausgerichtet werden. So wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017 sind dann mehrere systematische Messungen möglich. Die Wissenschaft verspricht sich davon viele neue Erkenntnisse, zum Beispiel über das frühe Universum oder über solche Kollisionen, in denen alle Elemente gebildet wurden, die schwerer sind als Eisen.

Detektoren in Europa und der ganzen Welt
So komplexe Messungen setzen eine globale Zusammenarbeit voraus. Dementsprechend wird auch in den USA ein Detektorkonzept der dritten Generation entwickelt: Der »Cosmic Explorer« wird mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetz bilden. Die Europäer haben das Einstein-Teleskop 2021 in die Roadmap des European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) aufgenommen. ESFRI wurde 2002 gegründet, damit nationale Regierungen, die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Europäische Kommission gemeinsam ein Konzept für Forschungsinfrastrukturen in Europa entwickeln und unterstützen können.

Mit der Aufnahme in die ESFRI Roadmap ist das Einstein-Teleskop in die Vorbereitungsphase eingetreten. Das Budget wurde auf 1,8 Milliarden Euro geschätzt. Etwa 40 Millionen Euro soll der Betrieb pro Jahr kosten. Der Baubeginn ist für 2026 geplant, die Beobachtungen sollen 2035 beginnen.

Gegenwärtig laufen Studien, um eine Standortauswahl zu treffen. Eine Entscheidung wird für 2024 erwartet. Zwei mögliche Standorte werden derzeit untersucht: einer auf Sardinien und einer in der Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck Deutschland-Belgien-Niederlande. Bei der Bewertung der Standorte müssen die Durchführbarkeit des Baus berücksichtigt und die Auswirkungen der örtlichen Umgebung auf die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors vorhergesagt werden.

Für die betreffende Region verspricht das Projekt einige Vorteile: Ein Großteil der Kosten von 1,8 Milliarden geht in Baumaßnahmen. Drei mal zehn km Tunnel und zwölf mal zehn km Vakuumrohre werden gebraucht, um nur zwei Beispiele zu nennen. Schon jetzt ist eine Vielzahl an Firmen an dem Projekt beteiligt.

An der eigentlichen Messapparatur arbeitet bereits ein großes Team an verschiedenen Standorten. Neben der RWTH Aachen University betrifft das in Aachen auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Dort entwickelt man derzeit neue Laser, ohne die die neuen Messungen nicht machbar wären. »Was wir hier für den potenziellen Einsatz im Einstein-Teleskop entwickeln, ist in dieser Ausführung einzigartig und ausschließlich zur Messung von Gravitationswellen gedacht«, bestätigt Dr. Patrick Baer vom Fraunhofer ILT, der als Research Unit Leiter in der Einstein-Teleskop Community Forschungsgruppen der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT sowie der Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen University vertritt. »In einer vereinfachten Ausführung kann die für diesen Einsatzbereich entwickelte Lasertechnologie allerdings auch für andere Anwendungen z.B. in der Quantentechnologie interessant sein. Aber auch für die Entwicklung von Lasern in der Medizintechnik kann das erlangte Wissen hilfreich sein: die Wellenlänge von 2 µm ist beispielsweise für das Zertrümmern von Nieren- und Blasensteinen geeignet.« Letztlich ist es das, was das Fraunhofer ILT seit seiner Gründung macht: High-end-Laser aus der Forschung für Anwendungen in der Industrie fit machen.

Aktuell ist die Finanzierung noch nicht vollständig gesichert. In den nächsten zwei Jahren erwartet Professor Stahl eine endgültige Entscheidung. Dann kommen die Planer, die Tunnelbauer und am Ende die Laserphysiker. »Ich schätze, dass wir 2035 die ersten Messungen vornehmen können.«

Was fasziniert einen Forscher wie Achim Stahl? »Mit Gravitationswellen können wir sehr viel weiter hinausblicken als mit normalen Teleskopen« erklärt der Astrophysiker. »Weiter hinausschauen heißt in der Astrophysik vor allem, in der Zeit zurückzuschauen. Mit dem Einstein-Teleskop werden wir Signale aus der Zeit empfangen, wo sich die Galaxien formierten und die ersten Sterne bildeten. Das geht weiter zurück, als es mit optischen Mitteln möglich ist. Und wir werden mit den Gravitationswellen kosmische Explosionen live hören, bevor wir sie sehen.« Die empfindlicheren Detektoren des Einstein-Teleskops werden die Signale früher »hören« und den anderen Teleskopen mehr Zeit lassen, um sich auszurichten. Früher war es eher ein glücklicher Zufall, so ein Ereignis zu sehen. Jetzt sind erstmals systematische Messungen möglich. Da brechen spannende Zeiten an – nicht nur für Astrophysiker.

Die Arbeit wurde zum Teil von Interreg EMR, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), und zum Teil vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen unterstützt.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Universität Potsdam 20. Dezember 2023.

20. Dezember 2023 – Es gelang zum ersten Mal, die abgestrahlten Gravitationswellen, die Kilonova und das Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs der am 17. August 2017 beobachteten Verschmelzung zweier Neutronensterne parallel zu modellieren und zu interpretieren.

Die Studie und die dafür entwickelte Code-Infrastruktur liefern präzise Hinweise auf die Eigenschaften der Kernmaterie und bilden die Grundlage für die Analyse zukünftiger Ereignisse. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Unsere neue Methode wird dabei helfen, die Eigenschaften von Materie bei extremen Dichten zu untersuchen. Außerdem ermöglicht sie ein genaueres Verständnis davon, wie sich das Universum ausdehnt, und von der Art und Weise, wie und in welchem Ausmaß die schweren Elemente bei Neutronensternkollisionen entstehen“, erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Dietrich ist als korrespondierender Autor an der Veröffentlichung beteiligt.

Ein Neutronenstern ist ein extrem dichtes astrophysikalisches Objekt, das am Ende der Lebensdauer massereicher Sterne bei einer Supernova-Explosion entsteht. Ähnlich wie andere kompakte Objekte kreisen einige Neutronensterne in Doppelsternsystemen umeinander. Durch das kontinuierliche Aussenden von Gravitationswellen – kleinen Störungen im Gefüge der Raumzeit – verlieren sie Energie und stoßen schließlich zusammen. Solche Verschmelzungen ermöglichen es den Forschenden, physikalische Prinzipien unter den extremsten Bedingungen im Universum zu untersuchen. So führen die Bedingungen dieser hochenergetischen Kollisionen zur Entstehung schwerer Elemente, wie z. B. Gold. Verschmelzende Neutronensterne sind tatsächlich einzigartige Untersuchungsobjekte, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten zu erforschen, die weit über denen von Atomkernen liegen.

Die neue Methode wurde auf die erste und bisher einzige Beobachtung eines verschmelzenden Doppel-Neutronensternsystems angewandt. Bei dieser am 17. August 2017 entdeckten Verschmelzung hatten die letzten paar tausend Umläufe der Sterne umeinander die Raumzeit so stark verwirbelt, dass Gravitationswellen entstanden, die von den terrestrischen Gravitationswellenobservatorien Advanced LIGO und Advanced Virgo nachgewiesen wurden. Bei der Verschmelzung der beiden Sterne wurden neu gebildete schwere Elemente ausgestoßen. Ein Teil dieser Elemente zerfiel radioaktiv, was zu einem Anstieg der Temperatur führte. Ausgelöst durch diese thermische Strahlung war bis zu zwei Wochen nach der Kollision ein elektromagnetisches Signal im optischen, infraroten und ultravioletten Bereich zu beobachten. Außerdem wurde zusätzliches Material durch einen Gammablitz ausgestoßen, ebenfalls ausgelöst durch die Kollision der Neutronensterne. Durch die Reaktion der Neutronensternmaterie mit dem umgebenden Medium wurden Röntgen- und Radiostrahlen erzeugt, die auf einer Zeitskala von Tagen bis zu Jahren beobachtet werden konnten.

Das neue Tool zur simultanen Auswertung astrophysikalischer Daten aus verschiedenen Quellen ermöglicht es den Forschenden, alle diese Signale gleichzeitig zu interpretieren. Zusätzlich können Informationen aus Radio- und Röntgenbeobachtungen von Neutronensternen (z. B. vom NICER-Teleskop der NASA), kernphysikalische Berechnungen und sogar Daten aus Schwerionenkollisionsexperimenten an erdgebundenen Beschleunigern miteinbezogen werden. „Wir können nun über den bisher üblichen schrittweisen Kombinationsprozess hinausgehen. Indem wir die Daten zusammenhängend und gleichzeitig analysieren, erhalten wir präzisere Ergebnisse“, sagt Peter T. H. Pang, Wissenschaftler an der Universität Utrecht, Erstautor der Publikation und Hauptentwickler des Codes. Um die neue Software in den kommenden Jahren weiterzuentwickeln, wurde Dietrich 2022 mit einem European Research Council (ERC) Starting Grant in Höhe von 1,5 Millionen Euro ausgezeichnet.

Derzeit führen die Gravitationswellen-Detektoren ihren vierten wissenschaftlichen Beobachtungslauf durch. Die nächste Entdeckung einer Verschmelzung von Neutronensternen könnte täglich erfolgen, und die Forschenden stehen in den Startlöchern, das von ihnen entwickelte Werkzeug erneut einsetzen zu können.

Publikation:
Peter T. H. Pang, Tim Dietrich, Michael W. Coughlin et al.,
An updated nuclear-physics and multi-messenger astrophysics framework for binary neutron star mergers,
2023, Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-023-43932-6

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 5. September 2023.

5. September 2023 – Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat Dr. Aditya Parthasarathy, einem Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, im Rahmen des Förderprogramms „Horizon Europe“ einen renommierten und äußerst begehrten Starting Grant in Höhe von rund 1,6 Millionen Euro verliehen. Der Betrag wird es ihm und seinem Team ermöglichen, die genannten grundlegenden Fragen der Astrophysik im Rahmen des Projekts „A Gamma-ray Infrastructure to Advance Gravitational Wave Astrophysics“ (GIGA) zu untersuchen.

„Es ist eine sehr aufregende Zeit für die Gravitationswellenforschung bei niedrigen Frequenzen. Mit GIGA werden wir den Stand der Technik für Pulsar-Timing-Arrays sowohl im Gammastrahlen- als auch im Radiowellenbereich vorantreiben“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy. Pulsare entstehen durch den finalen Gravitationskollaps massereicher Sterne, der einen kompakten Neutronenstern zurücklässt, der dichter als ein Atomkern ist und sich Hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse dreht. Neutronensterne senden bei jeder Umdrehung Strahlen aus, die wie ein Signal von kosmischen Leuchttürmen durch die Galaxis ziehen. Die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Pulse kann genutzt werden, um nach winzigen Schwankungen in ihrem Ticken zu suchen, die eine Fülle astrophysikalischer Informationen enthalten. Ein Pulsar-Timing-Array nutzt eine ganze Ansammlung solcher kosmischen Uhren, um das schwache Meer von Gravitationswellen zu entdecken, das das Universum durchdringt.

Es wird erwartet, dass dieser sogenannte Gravitationswellenhintergrund von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher stammt, die in den Zentren verschmelzender Galaxien zu finden sind. Ein signifikanter Nachweis dieses Signals wird unser Verständnis der Entwicklung von Galaxien und der Eigenschaften des frühen Universums kurz nach dem Urknall verbessern. Kürzlich hat ein internationales Team von Astronomen den ersten überzeugenden Beweis für den Gravitationswellenhintergrund bekannt gegeben, wobei viele der empfindlichsten Radioteleskope der Welt und über 15 Jahre lang gesammelte Daten zum Einsatz kamen. Obwohl dieses bahnbrechende Ergebnis den ersten Schritt zur Erforschung niederfrequenter Gravitationswellen darstellt, bleibt noch sehr viel zum weiteren Verständnis zu tun.

„Eines der größten Hindernisse bei der Verbesserung der Empfindlichkeit von Pulsar Timing Arrays ist unsere Kenntnis des interstellaren Mediums und der Modellierung seiner Auswirkungen auf die Beobachtungsdaten von Pulsaren“, sagt Dr. Parthasarathy. Wenn sich Radiowellen vom Pulsar zu unserem Planeten ausbreiten, werden sie von den Elektronen im interstellaren Medium abgelenkt, was direkte Messungen der Gravitationswellenparameter verfälscht. „GIGA wird diese große Einschränkung überwinden, indem es Gammastrahlen-Beobachtungen von Pulsaren mit dem Fermi-Weltraumteleskop der NASA nutzt. Da Gammastrahlen nicht in gleicher Weise durch das interstellare Medium beeinflusst werden, wird ein Gammastrahlen-Pulsar-Timing-Array einen unabhängigen und direkteren Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds ermöglichen“, fügt er hinzu.

„GIGA ist eine aufregende Idee, die bahnbrechende Ergebnisse verspricht“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ des Instituts. „Eine Kombination von Gammastrahlen- und Radiodaten wird nicht nur die abgeleitete Empfindlichkeit für den Gravitationswellenhintergrund erhöhen, sondern auch dazu beitragen, dessen astrophysikalische Ursprünge besser zu verstehen“, fügt er hinzu.

Dr. Parthasarathy wird vor Ende 2023 zu ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie, wechseln, wo er seinen ERC Starting Grant nutzen wird, seine eigene Forschungsgruppe aufzubauen. „Ich freue mich sehr darauf, meine Forschungsgruppe aufzubauen, während ich weiterhin mit meinen MPIfR-Kollegen zusammenarbeite, und ich bin dem ERC für die Finanzierung dankbar“, sagt er abschließend.

Hintergrundinformation
Der Europäische Forschungsrat (ERC) gibt die Vergabe von 400 Starting Grants an junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ganz Europa bekannt. Mit den Finanzhilfen in Höhe von insgesamt € 628 Mio. € – wird die Spitzenforschung in einem breiten Spektrum von Bereichen unterstützt, von Medizin und Physik bis hin zu Sozial- und Geisteswissenschaften. Die Grants helfen Forschern am Anfang ihrer Laufbahn, ihre eigenen Projekte zu starten, Forschungsteams zu bilden und ihre besten Ideen zu verfolgen.

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• Ehrungen

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Quelle: HITS 31. Juli 2023.

31. Juli 2023 – Ein Forscherteam des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS) prognostiziert nun, dass in diesem “Stimmenmeer“ die Chirps bevorzugt in zwei bestimmten Frequenzbereichen auftreten. Die Studie wurde im Fachjournal „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

Die Entdeckung der Gravitationswellen, wie sie bereits von Einstein vor hundert Jahren postuliert wurden, führte 2017 zum Nobelpreis für Physik und leitete den Beginn der Gravitationswellenastronomie ein. Wenn zwei Schwarze Löcher stellarer Masse verschmelzen, senden sie Gravitationswellen mit ansteigender Frequenz aus, das sogenannte „Chirp“-Signal, das auf der Erde hörbar gemacht werden kann. Aus der Beobachtung dieser Frequenzentwicklung (dem „Chirp“) können Forschende auf die so genannte „Chirp-Masse“ schließen, die mathematische Kombination der beiden einzelnen Massen der Schwarzen Löcher.

Bislang nahm man an, dass verschmelzende Schwarze Löcher eine beliebige Masse haben können. Die Computermodelle des HITS-Teams legen jedoch nahe, dass einige von ihnen Standardmassen haben, die dann zu universellen Chirps führen. „Die Existenz von universellen Chirp-Massen verrät uns nicht nur, wie Schwarze Löcher entstehen“, sagt Fabian Schneider, Leiter der Studie am HITS. „Sie lässt auch Rückschlüsse darauf zu, welche Sterne in Supernovae explodieren.“ Darüber hinaus bietet sie Einblicke in den Supernova-Mechanismus, in mit Unschärfe behaftete Kern- und Sternphysik und ermöglicht es Forschenden, die beschleunigte kosmologische Expansion des Universums zu messen.

„Gravierende Folgen für das Schicksal der Sterne“
Stellare Schwarze Löcher mit etwa der drei- bis hundertfachen Masse unserer Sonne sind die Endpunkte von massereichen Sternen, die nicht in Supernovae explodieren, sondern zu Schwarzen Löchern kollabieren. Deren Vorläufer, die zu Verschmelzungen führen, entstehen ursprünglich in Doppelsternsystemen und erleben mehrere Episoden des Massenaustauschs zwischen den Komponenten. Beide stammen von Sternen, die ihre Hülle verloren haben. „Der Verlust der Hülle hat gravierende Folgen für das Schicksal der Sterne. Es erleichtert zum Beispiel die Explosion in einer Supernova und führt zu universellen Massen von Schwarzen Löchern, wie sie unsere Simulationen jetzt vorhersagen“, sagt Philipp Podsiadlowski von der Universität Oxford, Zweitautor der Studie und derzeit Klaus Tschira Gastprofessor am HITS.

Der „stellare Friedhof“ – eine Sammlung aller bekannten Massen der Überreste von massereichen Sternen, d.h. Neutronensternen und Schwarzen Löchern – wächst rasch an, weil die Gravitationswellendetektoren zunehmend empfindlicher werden und weil auch an anderen Observatorien weiter nach solchen Objekten gesucht wird. Dabei scheint es eine Lücke in der Verteilung der Chirp-Massen bei verschmelzenden binären Schwarzen Löchern zu geben, und es gibt Hinweise, dass besonders viele Verschmelzungen mit 8 und 14 Sonnenmassen auftreten. Diese Merkmale entsprechen den vom HITS-Team vorhergesagten universellen Chirps. „Jede Auffälligkeit in der Verteilung der Massen von Schwarzen Löchern und Chirps verrät uns viel darüber, wie sich diese Objekte gebildet haben“, sagt Eva Laplace, die dritte Autorin der Studie.

Nicht in unserer Galaxie: massereiche Schwarze Löcher aus Doppelsternsystemen
Seitdem die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zum ersten Mal beobachtet wurde, hat sich herausgestellt, dass es noch wesentlich massereichere gibt als die in unserer Milchstraße. Dies liegt daran, dass sie von Sternen stammen, deren chemische Zusammensetzung sich von der in unserer Galaxie unterscheidet. Sterne, die in engen Doppelsternsystemen ihre Hülle verlieren, bilden – unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung – Schwarze Löcher von <9 und >16 Sonnenmassen, aber fast keine dazwischen, wie das Team am HITS herausfand.

Beim Verschmelzen implizieren die universellen Massen der Schwarzen Löcher von etwa 9 und 16 Sonnenmassen logischerweise universelle Chirp-Massen, also universelle Töne. „Bei der Aktualisierung meiner Vorlesung über Gravitationswellenastronomie fiel mir auf, dass an den Observatorien für Gravitationswellen erste Hinweise auf ein Fehlen beziehungsweise eine Häufung von Chirp-Massen festgestellt wurden. Und zwar genau bei den in unseren Modellen vorhergesagten universellen Massen“, sagt Fabian Schneider. „Da die Zahl der beobachteten Verschmelzungen von Schwarzen Löchern bislang recht gering ist, muss sich erst noch herausstellen, ob dieses Signal in den Daten nur statistischer Zufall ist“.

Wie auch immer das Ergebnis künftiger Gravitationswellenbeobachtungen ausfallen wird: Die Ergebnisse werden Forschenden helfen, besser zu verstehen, woher die singenden schwarzen Löcher in diesem Stimmenmeer kommen.

Über das HITS
Das HITS (Heidelberger Institut für Theoretische Studien) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitbegründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als privates, gemeinnütziges Forschungsinstitut gegründet. Es betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Zu den Hauptforschungsrichtungen zählen komplexe Simulationen auf verschiedenen Skalen, Datenwissenschaft und -analyse sowie die Entwicklung rechnergestützter Tools für die Forschung. Die Anwendungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Ein wesentliches Merkmal des Instituts ist die Interdisziplinarität, die in zahlreichen gruppen- und disziplinübergreifenden Projekten umgesetzt wird. Die Grundfinanzierung des HITS wird von der Klaus Tschira Stiftung bereitgestellt.

Publikation
Fabian R. N. Schneider, Philipp Podsiadlowski, and Eva Laplace: Bimodal Black Hole Mass Distribution and Chirp Masses of Binary Black Hole Mergers. The Astrophysical Journal Letters, 950, 2, DOI 10.3847/2041-8213/acd77a, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acd77a;

Für das Projekt wurden Fördermittel des Europäischen Forschungsrats (ERC) im Rahmen des Programms der Europäischen Union für Forschung und Innovation „Horizont 2020“ bereitgestellt (Finanzhilfevereinbarung Nr. 945806).

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 29. Juni 2023.

Mit anderen internationalen Kollaborationen haben sie unabhängig voneinander Beweise für Gravitationswellen bei extrem niedrigen Frequenzen gefunden, die von Paaren extrem massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren verschmelzender Galaxien stammen könnten. Die Ergebnisse sind ein entscheidender Meilenstein zur Erschließung eines neuen, astrophysikalisch bedeutenden Bereichs des Gravitationswellen-Spektrums.

In einer Reihe von Artikeln, die diese Woche in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ veröffentlicht wurden, berichten Wissenschaftler:innen des European Pulsar Timing Array (EPTA) in Zusammenarbeit mit indischen und japanischen Kolleg:innen des Indian Pulsar Timing Array (InPTA) über die Ergebnisse von Messungen, 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 bringt Astronom:innen und theoretische Physiker:innen zusammen, welche die Beobachtungen der extrem regelmäßigen Pulse von einer besonderen Art erloschener Sternen, den so genannten Pulsaren, nutzen, um einen Gravitationswellen-Detektor von der Größe einer Galaxie zu aufzuspannen.

Ein gigantischer Gravitationswellen-Detektor
„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 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 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 den Beginn einer neuen Reise ins Universum markieren.

Ein einzigartiger Datensatz durch koordinierte Zusammenarbeit
Diese 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.

Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, betont: „Die Daten des Effelsberger Teleskops reichen mehr als 25 Jahre zurück. 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 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.

Dr. Yajun Gou, Forscherin am MPIfR, erklärt die Bedeutung: „Unsere Teleskope haben die Pulsare sehr oft und über einen sehr langen Zeitraum hinweg beobachtet. 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. Doktorand Jiwoon Jang übersetzt: „Wir können Doppelsystem von Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von wenigen Jahren bis zu Monaten herunter untersuchen.“

Die Bekanntgabe der EPTA-Ergebnisse erfolgt in Abstimmung mit ähnlichen Veröffentlichungen anderer Kollaborationen weltweit, nämlich der in Parkes ansässigen australischen, der chinesischen und der nordamerikanischen Pulsar Timing Array (PTA)-Kollaborationen, abgekürzt PPTA, CPTA bzw. NANOGrav. Die 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 Jonathan Gair, Gruppenleiter in der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam und Mitautor der Veröffentlichung. „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 heute 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 auftritt. Das von EPTA – wie auch von den anderen internationalen Kollaborationen – berichtete Ergebnis erfüllt dieses Kriterium noch nicht.

Wissenschaftler 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 Array 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.

Weitere Informationen:

Pulsare
Pulsare sind die Überreste massereicher Sternexplosionen, bei denen der Kern als Neutronenstern überlebt hat, sehr kompakte Objekte von 1,5 Sonnenmassen innerhalb eines Radius von 13 km. Die schnellsten Pulsare rotieren mit einer Geschwindigkeit von 700 Umdrehungen pro Sekunde und senden von ihren Magnetpolen einen Strahl aus. Aus der Sicht eines Beobachters verhalten sie sich wie kosmische Leuchttürme. Mit einem Radioteleskop werden sie als eine Reihe von Impulsen oder „Ticks“ wahrgenommen, die in sehr regelmäßigen Abständen eintreffen und ein natürliches und präzises uhrähnliches Signal darstellen. Es wird erwartet, dass ein solches Uhrensignal durch niederfrequente Gravitationswellen gestört wird.

Pulsar-Timing-Array (PTA)
Ein Pulsar-Timing-Array ist ein Netzwerk von Pulsaren, die mit einem oder idealerweise mehreren Radioteleskopen beobachtet werden, um nach Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich (d. h. mit Wellenlängen in der Größenordnung von mehreren Lichtjahren) zu suchen und diese zu entdecken. Der PTA besteht aus einem Ensemble von Millisekunden-Pulsaren, die in verschiedenen Richtungen von der Erde aus beobachtet werden. Aufgrund der Präzision ihrer Pulsperioden und ihrer Verteilung am Himmel stellen sie einen Gravitationswellendetektor dar, der große Entfernungen in der Galaxis abdeckt. Die Analyse der Pulsankunftszeiten bei den beobachteten Pulsaren erlaubt nach Korrektur einer ganzen Reihe von Effekten den Rückschluss auf Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich.

Die Verwendung dieser Pulsare als galaktischer Gravitationswellendetektor wurde von M. Sazhin (1978, Astronomisches Institut Sternberg, Moskau) und S. Detweiler (1979, Universität Yale) vorgeschlagen. Sazhin schlug vor, dass ultralange Gravitationswellen durch ihre Störung bei der Ausbreitung elektromagnetischer Pulse nachgewiesen werden könnten. Detweiler zeigte, dass man anhand der veröffentlichten Pulsardaten eine Amplitudenobergrenze von 10-11 für die Energiedichte eines stochastischen Gravitationswellenhintergrunds mit Perioden von 1 Jahr festlegen kann.

Einige Jahre später führten Hellings und Downs (1983, Jet Propulsion Laboratory) zum ersten Mal das Konzept des Pulsar-Timing-Array ein und zeigten, dass man, wenn man in der Lage ist, ein Netzwerk solcher stabilen Pulsare mit hoher Präzision zu timen, die Hintergrundemission einer Population kompakter binärer Quellen messen und insbesondere die quadrupolare Natur des Gravitationswellensignals aus der Winkelkorrelation zwischen Pulsarpaaren ableiten kann, d. h. aus der Art und Weise, wie die Pulsare je nach ihrer relativen Position am Himmel beeinflusst werden. Dies ist das Prinzip des Nachweises ultraniedriger Gravitationswellen mit dem, was wir heute ein Pulsar-Timing-Array (PTA) nennen.

Als die Technologie begann, solch präzise Messungen zu ermöglichen, die typischerweise eine Datierung der Pulsationsankunftszeit (die „Ticks“) besser als im Mikrosekundenbereich erreichen, begannen mehrere Gruppen in der Welt, die schnellst-rotierenden und stabilsten bekannten Millisekunden-Pulsare zu beobachten.

Das Europäische Pulsar Timing Array (EPTA)
Europa hat bei diesem Forschungsprogramm Pionierarbeit geleistet. Als Erbe des bereits bestehenden „European Pulsar Network“ (EPN) und der „PULSE: European Pulsar Research“-Zusammenarbeit, die 2005 mit dem Descartes-Preis der Europäischen Kommission ausgezeichnet wurde, wurde 2006 offiziell das European Pulsar Timing Array (EPTA) ins Leben gerufen, das die „Pulsar“-Teams an den größten Radioteleskopen des Kontinents vereint: das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg (Deutschland), das Westerbork Synthesis Radio Telescope (Niederlande), das Lovell Telescope am Jodrell Bank Observatory (Großbritannien), das Sardinia Radio Telescope (Italien) und das Nançay Radio Telescope (Frankreich). An jedem dieser Orte hatten die lokalen Gruppen hochmoderne Instrumente und Datenpipelines entwickelt, die in der Lage waren, Pulsare korrekt zu messen und ein genaues Timing durchzuführen. In den folgenden Jahren kamen weitere Gruppen hinzu, die ebenfalls ihr theoretisches Fachwissen und ihre Fähigkeiten bei der Analyse von Gravitationswellendaten einbrachten: die Universitäten in Birmingham, Cambridge und Mailand sowie das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und das Observatorium in Paris.

Das EPTA hat seine Möglichkeiten im Jahr 2008 dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP) erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammengefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um eine Schüssel mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. In 25 Jahren Beobachtungszeit haben diese Instrumente etwa 60.000 Messungen für die 25 stabilsten Millisekundenpulsare gesammelt, die eine effektive Kadenz von einigen Tagen ermöglichen und für die meisten von ihnen eine Zeitgenauigkeit von mehr als einer Mikrosekunde erreichen

Diese Zahlen definieren die Empfindlichkeit und den Frequenzbereich des Arrays: einige 10-16 in der Gravitationsenergiedichte im Durchschnitt über den Himmel, zwischen 1,3 nHz und 5,8 μHz in der Frequenz, wobei die lokale Empfindlichkeit in einer Region der Himmelskugel von der tatsächlichen Verteilung und Stabilität der Pulsare im Array abhängt.

Large European Array for Pulsars (LEAP)
Dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP-Projekt unter der Leitung von Prof. Michael Kramer) hat das EPTA seine Kapazitäten 2008 erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammenzugefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. Im Gegensatz zu radioastronomischen Interferometern (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) kommt es hier nicht auf die Entfernung zwischen den einzelnen Teleskopen an, sondern auf deren kumulative Sammelfläche zum Nachweis der schwachen Radiostrahlung von Pulsaren. LEAP stellt für die EPTA-Teleskope außerdem eine neue Generation von Datenerfassungsgeräten zur Verfügung, die als Grundlage für die Veröffentlichung maßgeblich zur Anwendung gekommen sind.

Indian Pulsar Timing Array (InPTA)
Das Indian Pulsar Timing Array (InPTA) nutzt das Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) bei Pune als Schlüsselinstrument für die indischen Beobachtungen. Diese InPTA-Beobachtungen erweitern den Bereich der Radiofrequenzen, die zur Beobachtung von Pulsaren verwendet werden, auf viel niedrigere Frequenzen als die, die normalerweise vom EPTA verwendet werden. Durch die Kombination der Datensätze sind EPTA und InPTA in der Lage, das durch das interstellare Medium verursachte Zeitrauschen erfolgreich abzuschwächen.

Am InPTA-Experiment sind Forscher des NCRA (Pune), des TIFR (Mumbai), des IIT (Roorkee), des IISER (Bhopal), des IIT (Hyderabad), des IMSc (Chennai) und des RRI (Bengaluru) zusammen mit ihren Kollegen von der Universität Kumamoto (Japan) beteiligt.

NanoGRAV
Das „North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves“ umfasst Millisekunden-Beobachtungen von Pulsaren mit den Radioteleskopen Green Bank und Arecibo (das 300-m-Teleskop von Arecibo ist ab 2020 nicht mehr in Betrieb) sowie mit dem VLA und dem CHIME-Radioteleskop in Kanada.

Parkes Pulsar Timing Array (PPTA)
Das Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) war die erste offizielle Kollaboration, die sich der Suche nach Gravitationswellensignalen im Nano-Hertz-Bereich widmete. Es nutzt seit 2005 Beobachtungen mit dem 64-m-Radioteleskop bei Parkes in New South Wales.

Chinese Pulsar Timing Array (CPTA)
Das Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) ist das jüngste Mitglied der PTA-Kollaborationsfamilie. Das CPTA kann die Beobachtungen des neuen FAST-Teleskops nutzen, das 2020 seinen vollen Betrieb aufgenommen hat.

Internationales Pulsar-Timing-Array (IPTA)
Das IPTA entstand 2009 aus der Zusammenarbeit der drei damals bestehenden Konsortien: EPTA in Europa, NANOGrav in Nordamerika und PPTA in Australien. Kürzlich kam die indische Kooperation InPTA hinzu. Zwei kombinierte Datensätze wurden in den Jahren 2016 und 2019 veröffentlicht. Sie dienten in erster Linie dazu, frühere, von den einzelnen Gruppen individuell ermittelte Nachweisgrenzen zu bestätigen, instrumentelle Systematiken zu verfolgen und wissenschaftliche Ergebnisse für die Planetenephemeriden des Sonnensystems und die Definition einer unabhängigen Pulsarzeitstandardreferenz zu erzielen. Das IPTA arbeitet jetzt in vollem Umfang zusammen, um unsere neuesten Daten zu kombinieren und gemeinsam zu analysieren.

Die Verwirklichung eines PTA
Es gibt eine Reihe von Vordergrundquellen von Signalen, die charakterisiert und korrekt modelliert werden müssen, damit sie bei der Analyse von Gravitationswellensignal unterschieden werden können. Diese Signale sind vom unterschiedlicher Natur. Ihr Ursprung kann instrumentell (z. B. Referenzuhr, Instabilität der Empfängersysteme, Kalibrierungsunsicherheiten), astrophysikalisch (z. B. im Zusammenhang mit der Instabilität der Radioemission in der Pulsarmagnetosphäre oder mit Schwankungen der Sternrotation) oder durch den Weg des Radiosignals durch das interstellare Medium (mit Dispersionsverzögerungen und Streuung) bedingt sein. Einige dieser Störungen können in der Tat die Gravitationsemissionssignatur teilweise nachahmen und/oder verbergen, und man muss sie vor jeder weiteren Analyse genau charakterisieren und modellieren.
Schließlich spielen die planetarischen Ephemeriden des Sonnensystems (SSE), die die Position der Planeten um die Sonne in Abhängigkeit von der Zeit beschreiben, eine entscheidende Rolle. Das EPTA verwendet den Schwerpunkt des Sonnensystems (SSB) als gemeinsamen Bezugsrahmen, auf den wir die Radiobeobachtungen (Zeit der Pulsankünfte) aller Radioteleskope reduzieren. Jede Ungenauigkeit in den relativen Positionen, Geschwindigkeiten oder Massen der Planeten kann zu nicht berücksichtigten Verzögerungen führen und sich auf die Zeitmessungen aller Pulsare des Arrays auswirken, wodurch eine falsche räumliche Korrelation entsteht, die die Geometrie einer GW-Hintergrundstrahlung heimtückisch nachahmt. Um dies zu vermeiden, vergleicht man sorgfältig die Ergebnisse verschiedener SSE-Lösungen, z. B. die des Jet Propulsion Laboratory (Folkner & Park 2018) oder des Pariser Observatoriums (INPOP – Fienga et al 2019).

Gravitationswellen
Gravitationswellen sind Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie wurden bereits 1915 von Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, Im Jahre 1982 konnten diese erstmals durch den Energieverlust eines nahen Paares von Neutronensternen nachgewiesen und 2015 direkt mit dem bodengestützten Laserinterferometer LIGO gemessen werden.

Die europäische Gemeinschaft bereitet eine neue Weltraummission, LISA, vor (die endgültige Verabschiedung wird für Anfang 2024 erwartet), die nach ihrem Start im Jahr 2035 das Gravitationswellenspektrum bei niedrigen Frequenzen (mHz) untersuchen und die Population kompakter binärer Weißer Zwerge und Neutronensterne in unserer Galaxie, die sich gegenseitig umkreisen, sowie die Verschmelzung massereicher (etwa eine Million Sonnenmassen) Schwarzer Löcher im Universum untersuchen soll. LISA verwendet dasselbe Konzept wie die bodengestützten Laserinterferometer, allerdings mit einer Konstellation von drei Satelliten, die im Abstand von 2,5 Millionen km um die Sonne kreisen und das Laserlicht austauschen. Die Frequenzen von Gravitationswellen, die mit PTAs gesehen werden, sind damit nochmals niedriger als die von LISA.

MPIfR-Koautoren
J. Antoniadis, A.-S. Bak Nielsen, D. J. Champion, G. Desvignes, E. Graikou, Y. J. Guo, H. Hu, J. Jang, J. Jawor, A. Jessner, R. Karuppusamy, M. Kramer, K. Lackeos, K. J. Lee, K. Liu, R. A. Main, A. Parthasarathy, V. Venkatraman Krishnan und J. P. W. Verbiest.

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• Gravitationswellen

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Quellen: DESY, Universität Münster (WWU) 29. Juni 2023.

29. Juni 2023 – Astrophysikerinnen und Astrophysiker haben erstmals überzeugende Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen gefunden, die mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten schwingen. Dies geht aus fünf Artikeln hervor, die am 29. Juni in der Zeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht wurden. Dazu werteten die Forscherinnen und Forscher Daten aus 15 Jahren aus, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gesammelt hat. An einem der Forschungsartikel sind Kai Schmitz von der Universität Münster und Andrea Mitridate von DESY in Hamburg beteiligt. Diese Publikation beschäftigt sich mit der Hypothese, dass NANOGrav Gravitationswellen sieht, die im Urknall erzeugt wurden. Am NANOGrav-Konsortium sind neben dem Team der Universität Münster und von DESY auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover sowie von der Universität Mainz beteiligt.

Dies ist ein entscheidender Beleg für Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen“, betont Stephen Taylor von der Vanderbilt University (USA), der die Suche mit geleitet hat und derzeit der Kollaboration vorsitzt. „Nach jahrelanger Arbeit öffnet NANOGrav ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum.“

Das NANOGrav-Konsortium, ein Zusammenschluss von mehr als 190 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, beobachtet Pulsare in unserer Galaxie mit großen Radioteleskopen und sucht dabei nach Gravitationswellen. Ein Pulsar ist der extrem dichte Überrest des Kerns eines massereichen Sterns nach dessen Lebensende in einer Supernova-Explosion. Pulsare drehen sich schnell und senden Strahlen von Radiowellen durch den Weltraum, sodass sie von der Erde aus gesehen zu pulsieren scheinen. „Wenn der Pulsar richtig orientiert ist, lässt sich dieses sehr regelmäßige Signal von der Erde aus messen. Man kann den Effekt mit dem Lichtkegel eines Leuchtturms vergleichen, der in einem bestimmten Takt aufblitzt – nur dass Pulsare viel schneller blinken; im Falle der von NANOGrav beobachteten Pulsare sogar im Millisekundentakt“, veranschaulicht Schmitz, Juniorprofessor am Institut für Theoretische Physik der Universität Münster, der dem NANOGrav-Konsortium angehört.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt genau voraus, wie Gravitationswellen Pulsarsignale beeinflussen sollten. Durch die Dehnung und Stauchung der Raumstruktur beeinflussen die Gravitationswellen die Ankunftszeit jedes Pulses auf eine kleine, aber vorhersehbare Weise, indem sie einige Pulse verzögern und andere früher die Erde erreichen lassen. Abweichungen nach einem bestimmten Muster, das sich auf langsam wogende (niederfrequente) Gravitationswellen zurückführen lässt, zeichnen sich nun in den Daten von 68 beobachteten Pulsaren ab, die das Konsortium in 15 Jahren Forschungsarbeit zusammengetragen hat. Frühere Ergebnisse von NANOGrav hatten zwar bereits ein rätselhaftes Signal in den gemessenen Zeitreihen enthüllt, das allen beobachteten Pulsaren gemeinsam war. Es war aber zu schwach, um daraus Rückschlüsse über seinen Ursprung zu ziehen.

Der jüngste Datensatz von NANOGrav zeigt nun zunehmend klare Hinweise auf Gravitationswellen mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten. Diese Wellen könnten von umkreisenden Paaren der massereichsten Schwarzen Löcher im gesamten Universum ausgehen: Sie sind Milliarden Mal massereicher als die Sonne und größer als der Abstand zwischen Erde und Sonne. Aus der Überlagerung der Signale vieler einzelner Schwarzlochpaare ergibt sich ein diffuses Gravitationswellen-Hintergrundrauschen. Zukünftige Studien dieses Signals werden ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum öffnen und unter anderem Einblicke in die Verschmelzung gigantischer Schwarzer Löcher in fernen Galaxien gewähren.

Zum Hintergrund: Im Gegensatz zu den niederfrequenten Gravitationswellen, die nur mit Pulsaren detektiert werden können, können flüchtige hochfrequente Gravitationswellen von bodengestützten Instrumenten wie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) beobachtet werden. Für die erste direkte Messung von hochfrequenten Gravitationswellen mit dem LIGO-Detektor im Jahr 2015 erhielten Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne 2017 den Nobelpreis für Physik. Die neuen NANOGrav-Ergebnisse erschließen nun ein neues Frequenzband im Gravitationswellenspektrum, das in Relation zum LIGO-Frequenzband steht, wie etwa langwellige Radiowellen im elektromagnetischen Spektrum in Relation zu sichtbarem Licht stehen. Zudem ist NANOGrav keinen flüchtigen Gravitationswellen auf der Spur, sondern einem kontinuierlichen Hintergrundrauschen, das die Erde permanent und aus allen Richtungen erreicht.

Die Veröffentlichung der Ergebnisse von NANOGrav ist mit Gravitationswellen-Forschungsteams aus der ganzen Welt abgestimmt, die am 29. Juni ebenfalls jeweils neue Ergebnisse präsentieren. Neben NANOGrav sind dies weitere sogenannte Pulsar-Timing-Array-Konsortien aus Australien, China, Europa, und Indien, die zusammen im International Pulsar Timing Array (IPTA) organisiert sind.

Beitrag von Kai Schmitz und seiner Arbeitsgruppe (Universität Münster) und Andrea Mitridate (DESY) zu den NANOGrav-Veröffentlichungen vom 29. Juni
Das von NANOGrav gesehene Signal könnte auch einen kosmologischen Beitrag in Form von Gravitationswellen aus dem frühen Universum erhalten. Diese Hypothese wird in einer der fünf nun veröffentlichten Studien im Detail untersucht, die Kai Schmitz mit Andrea Mitridate, Postdoktorand bei DESY, leitete. „In unserer Arbeit“, führt Andrea Mitridate aus, „nehmen wir die Möglichkeit unter die Lupe, dass NANOGrav im Urknall erzeugte Gravitationswellen sieht – anstelle eines Signals astrophysikalischen Ursprungs, das von gigantischen Schwarzen Löchern ausgesendet wird, die einander im Zentrum von Galaxien umkreisen.“ Ein solcher Ur-Gravitationswellenhintergrund sollte als Gravitationspendant zum kosmischen Mikrowellenhintergrund – dem in den 1960er Jahren entdeckten „Nachglühen“ des Urknalls – angesehen werden.

„Viele Theorien zu neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik sagen die Entstehung von Gravitationswellen im Urknall voraus, darunter Phänomene wie kosmische Inflation, kosmologische Phasenübergänge oder sogenannte kosmische Strings“, erklärt Kai Schmitz. Andrea Mitridate ergänzt: „In diesem Sinne ermöglichen uns die NANOGrav-Daten, Modelle neuer Physik bei Energien zu untersuchen, die in Laborexperimenten auf der Erde unerreichbar sind.“ Es bedarf jedoch weiterer Untersuchungen, um festzustellen, ob sich letztlich die astrophysikalische Interpretation in Form von Doppelsystemen aus extrem massereichen Schwarzen Löchern oder die kosmologische Interpretation in Form von Gravitationswellen aus dem Urknall durchsetzen wird.

Forschungsförderung
Die Arbeit von NANOGrav erhielt finanzielle Unterstützung durch das Physics Frontiers Center der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) (Preisnummer 1430284 und 2020265), die Gordon and Betty Moore Foundation, die NSF (AccelNet-Preisnummer 2114721), ein Discovery Grant des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und das Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR). Das Arecibo-Observatorium ist eine Einrichtung der NSF. Sie wird im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung (#AST-1744119) von der University of Central Florida (UCF) in Zusammenarbeit mit der Universidad Ana G. Méndez (UAGM) und Yang Enterprises (YEI), Inc, betrieben. Das Green Bank Observatory und das National Radio Astronomy Observatory sind Einrichtungen der NSF, die im Rahmen von Kooperationsvereinbarungen durch Associated Universities, Inc, betrieben werden.

Originalveröffentlichung mit Beteiligung der Arbeitsgruppen von Universität Münster und DESY
Adeela Afzal et al./ The NANOGrav Collaboration (2023): The NANOGrav 15-year Data Set: Search for Signals from New Physics. The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.3847/2041-8213/acdc91, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91/pdf

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Durchbruch bei der Suche nach langsam schwingenden Gravitationswellen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESO Organisation Release eso2308de, 16. Mai 2023.

Einige verheerende Ereignisse im Universum, wie die Kollision von schwarzen Löchern oder Neutronensternen, erzeugen Gravitationswellen, d. h. Wellen in der Struktur von Raum und Zeit. Observatorien wie das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) und das www.virgo-gw.eu sind darauf ausgelegt, diese Wellen zu entdecken. Aber sie können weder ihren Ursprung genau bestimmen noch das flüchtige Licht erkennen, das bei den Kollisionen zwischen Neutronensternen und schwarzen Löchern entsteht. BlackGEM ist darauf ausgerichtet, große Bereiche des Himmels schnell zu scannen, um im sichtbaren Licht präzise nach Gravitationswellenquellen zu suchen.

„Mit BlackGEM wollen wir die Untersuchung kosmischer Ereignisse sowohl mit Gravitationswellen als auch mit sichtbarem Licht erweitern“, erklärt Paul Groot von der Radboud-Universität in den Niederlanden, der das Projekt leitet. „Die Kombination von beidem sagt uns viel mehr über diese Ereignisse als nur das eine oder das andere.“

Indem sie sowohl Gravitationswellen als auch ihre sichtbaren Gegenstücke aufspüren, können Astronom*innen die Art der Gravitationswellenquellen und ihre genaue Position bestimmen. Die Verwendung von sichtbarem Licht ermöglicht auch detaillierte Beobachtungen der Prozesse, die bei diesen Verschmelzungen ablaufen, wie z. B. die Bildung von schweren Elementen wie Gold und Platin.

Bislang wurde jedoch nur ein sichtbares Gegenstück zu einer Gravitationswellenquelle entdeckt. Darüber hinaus können selbst die fortschrittlichsten Gravitationswellendetektoren wie LIGO oder Virgo ihre Quellen nicht genau identifizieren. Bestenfalls können sie den Standort einer Quelle auf ein Gebiet von etwa 400 Vollmonden am Himmel eingrenzen. BlackGEM wird solch große Regionen mit einer ausreichend hohen Auflösung effizient abtasten, um Gravitationswellenquellen mit sichtbarem Licht zuverlässig zu orten.

Die drei Teleskope, aus denen BlackGEM besteht, wurden von einem Konsortium von Universitäten gebaut: der Radboud University, der Netherlands Research School for Astronomy und der KU Leuven in Belgien. Die Teleskope haben jeweils einen Durchmesser von 65 Zentimetern und können verschiedene Bereiche des Himmels gleichzeitig untersuchen. Letztendlich möchten die zusammenarbeitenden Institute die Anlage auf 15 Teleskope erweitern, um die Abdeckung noch weiter zu verbessern. BlackGEM wird am La-Silla-Observatorium der ESO in Chile betrieben und ist damit die erste Anlage ihrer Art auf der Südhalbkugel der Erde.

„Trotz des bescheidenen Primärspiegels von 65 Zentimetern gehen wir so tief wie manche Projekte mit viel größeren Spiegeln, weil wir die hervorragenden Beobachtungsbedingungen auf La Silla voll ausnutzen“, sagt Groot.

Sobald BlackGEM eine Quelle von Gravitationswellen genau identifiziert hat, können größere Teleskope wie das Very Large Telescope der ESO oder das künftige Extremely Large Telescope der ESO detaillierte Folgebeobachtungen durchführen, die dazu beitragen werden, Aufschluss über einige der extremsten Ereignisse im Kosmos zu erhalten.

Neben der Suche nach den optischen Gegenstücken zu den Gravitationswellen wird BlackGEM auch Durchmusterungen des Südhimmels durchführen. Der Betrieb ist vollständig automatisiert, so dass die Anlage schnell „flüchtige“ astronomische Ereignisse aufspüren und beobachten kann, die plötzlich auftauchen und schnell wieder aus dem Blickfeld verschwinden. Dadurch erhalten Astronom*innen einen tieferen Einblick in kurzlebige astronomische Phänomene wie Supernovae, die gewaltigen Explosionen, die das Ende des Lebens eines massereichen Sterns markieren.

„Dank BlackGEM hat La Silla nun das Potenzial, einen wichtigen Beitrag zur Erforschung kurzlebiger Phänomene zu leisten“, ergänzt Ivo Saviane, Standortleiter am La-Silla-Observatorium der ESO. „Wir erwarten von diesem Projekt viele herausragende Ergebnisse, die die Attraktivität des Standorts sowohl für die wissenschaftliche Gemeinschaft als auch für die breite Öffentlichkeit erhöhen werden.“

Weitere Informationen
Das BlackGEM-Konsortium umfasst: NOVA (Netherlands Research School for Astronomy, die nationale niederländische Forschungsallianz für Astronomie zwischen der Universität Amsterdam, der Universität Groningen, der Universität Leiden und der Radboud-Universität); die Radboud-Universität, Niederlande; die KU Leuven, Belgien; das Weizmann-Institut, die Hebräische Universität Jerusalem und die Universität Tel Aviv, Israel; die Universität Manchester und das Armagh Observatorium und Planetarium, Vereinigtes Königreich; die Texas Tech University, die University of California in Davis und das Las Cumbres Observatorium, USA; die Universität Potsdam, Deutschland; die Dänische Technische Universität, Dänemark; die Universität von Barcelona, Spanien; und die Universität von Valparaíso, Chile.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Mit der BlackGEM-Anlage können große Bereiche des Himmels schnell nach einer Quelle abgesucht werden, die Gravitationswellen ausgesandt hat, die von LIGO und Virgo entdeckt wurden. Die Teleskope wurden von einem Konsortium von Universitäten gebaut: der Netherlands Research School for Astronomy, der KU Leuven in Belgien und der Radboud University.

Links

• BlackGEM auf den ESO-Webseiten
• BlackGEM-Webseiten
• ESO-Teleskope beobachten erstes Licht einer Gravitationswellen-Quelle (Pressemitteilung)

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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• ESO

Der Beitrag BlackGEM-Teleskope gehen am La-Silla-Observatorium der ESO auf die Jagd nach Gravitationswellenquellen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: UP, 27. April 2023.

In der im Journal „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlichten Studie betrachteten die beiden Nachwuchswissenschaftler ein bekanntes Doppelsternsystem, also zwei Sterne, die um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotieren, und analysierten Daten von verschiedenen Teleskopen am Boden und im All. Sie fanden heraus, dass die Sterne aus der Nachbargalaxie „Kleine Magellansche Wolke“ miteinander im Kontakt stehen und Material austauschen, wobei der eine Stern den anderen „nährt“. Sie umkreisen sich alle drei Tage und sind die massivsten bisher bekannten Doppelsterne.

Vergleicht man die Ergebnisse mit theoretischen Modellen der Entwicklung von Doppelsternsystemen, so wird der Stern, der derzeit Material verliert, zuerst zu einem Schwarzen Loch kollabieren und nach einiger Zeit beginnen, Material von seinem Sternbegleiter abzusaugen. Der Begleiter wird daraufhin ebenfalls zu einem Schwarzen Loch. Diese Schwarzen Löcher werden sich innerhalb weniger Millionen Jahre bilden und einander für viele Milliarden Jahre umkreisen, um schließlich mit einer solchen Kraft zu kollidieren, dass sie Gravitationswellen – Verschiebungen im Raumzeitkontinuum – erzeugen.

Doktorand Matthew Rickard, leitender Autor der Studie vom University College London, sagt: „Dank der Gravitationswellendetektoren Virgo und LIGO wurden in den letzten Jahren Dutzende verschmelzender Schwarzer Löcher entdeckt. Bisher haben wir jedoch noch keine Sterne beobachtet, die zu Schwarzen Löchern dieser Größe kollabieren und in einer Zeitspanne verschmelzen, die kürzer ist als das Alter des Universums. Unser am besten passendes Entwicklungsmodell legt nahe, dass diese Sterne in 18 Milliarden Jahren zu Schwarzen Löchern verschmelzen werden. Die Entdeckung von Sternen auf diesem Entwicklungspfad so nah an unserer Galaxis bietet uns eine hervorragende Gelegenheit, noch mehr über die Entstehung dieser Systeme zu erfahren.“

Co-Autor Daniel Pauli, Doktorand an der Universität Potsdam, ergänzt: „Dieses Kontakt-Doppelsternsystem ist das massivste, was bisher beobachtet wurde. Der kleinere und heißere Stern besitzt 32 Sonnenmassen und verliert aktuell Material an seinen 55 Sonnenmassen schweren Begleiter.“
In ihrer Studie haben die Wissenschaftler verschiedene Wellenlängenbereiche des Doppelsternsystems spektroskopisch vermessen, von ultraviolettem über sichtbares bis hin zu infrarotem Licht. Dazu verwendeten sie unter anderem Daten des NASA Hubble Space Telescope (HST) und des Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) vom ESO Very Large Telescope in Chile. Mit diesen Daten haben sie die Radialgeschwindigkeit der Sterne, die angibt wie schnell sie sich zu uns hin oder von uns wegbewegen, sowie ihre Massen, Helligkeiten, Temperaturen und Umlaufbahnen bestimmt. Schließlich passten sie diese Parameter mit einem Entwicklungsmodell an.

Ihre spektroskopische Analyse zeigt, dass die äußere Hülle des kleineren Sterns durch den größeren Stern aufgesaugt wurde. Sie beobachteten auch, dass die Radien beider Sterne die Roche-Grenze, also die Region um einen Stern, in der Material durch die Gravitation an den Stern gebunden ist, überschreiten. Die Beobachtung belegt, dass Material vom kleineren Stern auf den Begleiter übergeht.

Zur künftigen Entwicklung der Sterne erklärt Rickard: „Der kleinere Stern wird in nur 700.000 Jahren zu einem Schwarzen Loch kollabieren, entweder in einer spektakulären Supernova-Explosion oder auch ohne Explosion aufgrund seiner Masse. Für etwa drei Millionen Jahre werden beide unbequeme Nachbarn sein, bevor das erste Schwarze Loch anfängt, Masse von seinem Begleiter anzuziehen und sich an ihm ‚zu rächen‘.“
Pauli, der die Modellierungen durchgeführt hat, fügt hinzu: „Nach nur 200.000 Jahren, einem astronomischen Augenblick, wird der Begleitstern ebenfalls zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Die beiden massereichen Sterne werden einander weiterhin für einige Milliarden Jahre umkreisen. Langsam werden sie durch die Abgabe von Gravitationswellen Energie verlieren, bis sie sich immer schneller im Sekundentakt umkreisen und schließlich in 18 Milliarden Jahren miteinander verschmelzen, während sie über Gravitationswellen enorme Energiemengen freisetzen.“

Link zur Publikation: M. J. Rickard and D. Pauli, A low-metallicity massive contact binary undergoing slow Case A mass transfer: A detailed spectroscopic and orbital analysis of SSN 7 in NGC 346 in the SMC, Astronomy & Astrophysics,

Pressemeldung des University College London: https://www.ucl.ac.uk/news/2023/apr/most-massive-touching-stars-ever-found-will-eventually-collide-black-holes

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• Sternentwicklung
• Schwarze Löcher

Der Beitrag Dunkles Paar – Massive, sich berührende Sterne werden als Schwarze Löcher kollidieren erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Mit einem Happs ist alles im Schlund: Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, ist das ein gewaltiges kosmisches Ereignis, das die ganze Raumzeit erbeben lässt. Physikerinnen und Physiker freuen sich dann über die dabei entstehen Gravitationswellen, jenes Zittern der Raumzeit, das erstmals 2015 mit dem Gravitationswellendetektor LIGO gemessen wurde. Inzwischen ist die Entdeckung von solchen Verschmelzungen fast Routine geworden, über 90 Ereignisse zählt der dritte Gravitationswellenkatalog.

Doch schon das erste entdeckte Gravitationswellensignal namens GW150904 gab Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehrere Rätsel auf: Die beiden Schwarzen Löcher, die da miteinander verschmolzen, waren eigentlich viel zu massereich, um existieren zu dürfen. Und kaum hatte man sich darüber Gedanken gemacht, gab es schon das nächste Problem: Wie schafft es dieses kompakte Doppelsystem, sich überhaupt nahe genug zu kommen, um miteinander zu verschmelzen, ohne sich vorher schon zu zerstören? Und dazu müsste dieser kosmische Annäherungsversuch eigentlich länger brauchen, als das Universum alt ist.

Franzi erzählt Karl in dieser Podcast-Folge die Geschichte dieser kompakten Binärsysteme: Denn Forschende wissen inzwischen dank der Gravitationswellen, dass es sie gibt. Warum es sie gibt, ist hingegen weniger klar.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Schwarze Löcher
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Schwarze Löcher – wenn die Raumzeit zu stark zittert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 18. November 2022.

18. November 2022 – Wenn Schwarze Löcher im Universum aufeinanderprallen, dann beben Raum und Zeit: Die bei der Verschmelzung freiwerdende Energiemenge ist so groß, dass sie die Raumzeit in Schwingung versetzt – ähnlich wie Wellen auf einer Wasseroberfläche. Diese Gravitationswellen breiten sich durch das gesamte Universum aus und lassen sich auch in Tausenden von Lichtjahren Entfernung noch messen – so wie am 21. Mai 2019, als die beiden Gravitationswellenobservatorien LIGO (USA) und Virgo (Italien) ein solches Signal einfingen. Das nach dem Datum seiner Entdeckung GW190521 benannte Gravitationswellenereignis hat seither in der Fachwelt für Gesprächsstoff gesorgt, da es sich von den zuvor gemessenen Signalen deutlich unterscheidet.

Das Signal war zunächst so interpretiert worden, dass es sich bei der Kollision um zwei Schwarze Löcher handelte, die sich auf nahezu kreisförmigen Bahnen umeinander bewegen. „Solche binären Systeme können durch eine Reihe astrophysikalischer Prozesse entstehen“, erklärt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi, theoretischer Physiker von der Universität Jena. So seien die meisten von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher stellaren Ursprungs. „Das heißt, sie sind die Überreste von massereichen Sternen in Doppelsternsystemen“, so Bernuzzi weiter, der die aktuelle Studie leitete. Solche Schwarzen Löcher umrunden einander auf quasi kreisförmigen Bahnen, so wie es die ursprünglichen Sterne zuvor auch schon taten.

Ein Schwarzes Loch fängt ein zweites ein
„GW190521 verhält sich aber deutlich anders“, macht Rossella Gamba deutlich. Die Erstautorin der Publikation promoviert im Jenaer Graduiertenkolleg 2522 und gehört zu Bernuzzis Team. „Seine Morphologie und seine explosionsartige Struktur unterscheiden sich extrem von früheren Beobachtungen.“ Also machten sich Rossella Gamba und ihre Kollegen auf die Suche nach einer alternativen Erklärung für das außergewöhnliche Gravitationswellensignal. Mit einer Kombination aus modernsten analytischen Methoden und numerischen Simulationen auf Supercomputern berechneten sie unterschiedliche Modelle für die kosmische Kollision. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass diese statt auf einer quasi kreisförmigen auf einer stark exzentrischen Bahn erfolgt sein musste: Ein Schwarzes Loch bewegt sich dabei zunächst ungebunden in einer relativ dicht mit Materie gefüllten Umgebung und kann, sobald es in die Nähe eines anderen Schwarzen Loches gelangt, von dessen Gravitationsfeld „eingefangen“ werden. Auch dies führt zur Entstehung eines binären Systems, allerdings bewegen sich die beiden Schwarzen Löcher hier nicht kreisförmig, sondern exzentrisch, in taumelnden Bewegungen umeinander.

„Ein solches Szenario erklärt die Beobachtungen deutlich besser als jede andere bisher vorgestellte Hypothese. Die Wahrscheinlichkeit liegt bei 1:4300“, sagt Matteo Breschi, Doktorand und Koautor der Studie, der die Infrastruktur für die Analyse entwickelt hat. Und Postdoktorand Dr. Gregorio Carullo ergänzt: „Auch wenn wir derzeit noch nicht genau wissen, wie oft solche dynamischen Begegnungen von Schwarzen Löchern überhaupt vorkommen, rechnen wir nicht damit, dass sie häufig passieren.“ Das mache die aktuellen Ergebnisse umso spannender. Dennoch bedarf es noch weiterer Forschungsarbeit, um die Entstehungsprozesse von GW190521 zweifelsfrei aufzuklären.

Teamwork im Graduiertenkolleg
Für das aktuelle Projekt haben die Teams in Jena und Turin (im Rahmen des von der DFG geförderten Jenaer Graduiertenkollegs 2522 „Dynamics and Criticality in Quantum and Gravitational Systems”) einen allgemein-relativistischen Rahmen für die exzentrische Verschmelzung von Schwarzen Löchern entwickelt und die analytischen Vorhersagen mit Simulationen der Einsteinschen Gleichungen überprüft. Erstmals kamen bei der Analyse von Gravitationswellen-Beobachtungsdaten Modelle von dynamischen Begegnungen zum Einsatz.

Originalpublikation:
Gamba, R., Breschi, M., Carullo, G. et al.: GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes. Nat Astron (2022), doi.org/10.1038/s41550-022-01813-w, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01813-w.

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Gravitationswellen – Kollision mit Schlagseite erschien zuerst auf Raumfahrer.net.