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)

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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: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

12. Januar 2022 – Ein internationales Team von Astronomen, darunter eine Reihe von Wissenschaftlern aus dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, gibt die Ergebnisse einer umfassenden Suche nach einem niederfrequenten Gravitationswellenhintergrund bekannt. Gravitationswellen mit Wellenlängen von mehreren Lichtjahren im Nanohertzbereich werden von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Sie durchdringen die gesamte Raumzeit und könnten von Verschmelzungen der massereichsten schwarzen Löcher im Universum oder von Ereignissen kurz nach der Entstehung des Universums im Urknall herrühren.
Die Ergebnisse werden online in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ veröffentlicht.

Das „International Pulsar Timing Array“ (IPTA), an dem mehrere Kollaborationen von Astrophysikern aus der ganzen Welt beteiligt sind, präsentiert das Ergebnis seiner Suche nach Gravitationswellen mit einer neuen Datenveröffentlichung unter der Bezeichnung „Data Release 2“ (DR2). Dieser Datensatz besteht aus präzisen Zeitmessdaten von 65 Millisekunden-Pulsaren. Das sind Überreste von massereichen Sternen, die sich Hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse drehen. Sie senden dabei stark gebündelte Radiowellen aus, die aufgrund der Drehung als Pulse sichtbar werden. Die Gesamtdaten setzen sich zusammen aus der Kombination mehrerer voneinander unabhängiger Datensätze des „European Pulsar Timing Array“ (EPTA), des „North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves“ (NANOGrav) und des „Parkes Pulsar Timing Array“ in Australien (PPTA), den drei Gründungsmitgliedern des IPTA.

Im Rahmen der Zusammenarbeit von Teams aus Astronomen, Datenanalysten und Astrophysikern an den größten europäischen Radioteleskopen und mehreren angeschlossenen Forschungsinstituten stellt das „European Pulsar Timing Array“ einen Teil des „International Pulsar Timing Array“ dar und trägt zu diesem bei.

Einer der Hauptschwerpunkte des EPTA liegt in der Kombination von Daten. „Das European Pulsar Timing Array ist selbst bereits ein internationales Projekt und wir sind es gewohnt, Daten von bis zu fünf verschiedenen Radioteleskopen zu kombinieren und sogar gleichzeitig zu beobachten. Dieses Fachwissen war bei der Erstellung der aktuellen Datenveröffentlichung sehr hilfreich“, sagt Dr. David Champion vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, Mitglied der EPTA-Kollaboration und Mitautor der Studie. Die große Anzahl von 42 Pulsaren und eine lange Basis von bis zu 18 Jahren für die Zeitreihenuntersuchungen machen einen Großteil der Beobachtungen im Rahmen der Veröffentlichung aus. Die verwendete Bayes’schen Methodik wurde zum überwiegenden Teil von den Europäern entwickelt, um damit Obergrenzen für die Stärke des Gravitationswellenhintergrunds (GWB) festzulegen und so die Statistik des entstehenden Signals über die Jahre hinweg verstehen zu können.

Die Suche nach einem Gravitationswellenhintergrund beinhaltet auch einen umfassenden Vergleich der einzelnen Datensätze von den regionalen Kollaborationen mit dem kombinierten Gesamtdatensatz. Diese Suche im Rahmen der vorliegenden Veröffentlichung hat deutliche Hinweise auf ein niederfrequentes Gravitationswellensignal ergeben, das bei vielen der Pulsare in den kombinierten Daten entdeckt wurde. Die Eigenschaften dieses Signals, das bei vielen Pulsaren gemeinsam auftritt, stimmen weitgehend mit dem überein, was man von einem Gravitationswellenhintergrund erwartet. Das Hintergrundsignal setzt sich zusammen aus vielen verschiedenen, sich überlagernden Gravitationswellensignalen, die von einer kosmischen Population supermassereicher binärer Schwarzer Löcher (darunter versteht man zwei supermassereiche Schwarze Löcher, die sich gegenseitig umkreisen und schließlich miteinander verschmelzen werden) ausgesendet werden, ähnlich wie beim Hintergrundrauschen von vielen sich überlagernden Stimmen in einem überfüllten Saal. Das Ergebnis untermauert das allmähliche Auftauchen ähnlicher Signale, die in den letzten Jahren bereits in den einzelnen (Unter-)Datensätzen der beteiligten Kollaborationen gefunden werden konnten.

„Dies ist ein sehr aufregendes Signal! Obwohl wir noch nicht den endgültigen Beweis haben, könnten wir am Anfang davon stehen, einen Hintergrund von Gravitationswellen in den Daten zu entdecken“, sagt Dr. Siyuan Chen, Mitglied der EPTA- und NANOGrav-Kollaborationen und Leiter der DR2-Suche und Veröffentlichung im Rahmen des „International Pulsar Timing Arrays“. Dr. Boris Goncharov vom australischen „Parkes Pulsar Timing Array“ warnt allerdings vor möglicherweise zu weitgehenden Interpretationen solcher gemeinsamen Signale: „Wir untersuchen auch alternative Interpretationen. Das Signal könnte zum Beispiel vom Rauschen herrühren, das in den Daten einzelner Pulsare vorhanden ist und in unseren Analysen nicht korrekt modelliert wurde.“

Um den Gravitationswellenhintergrund als Ursprung des niederfrequenten Signals identifizieren zu können, muss das IPTA auch räumliche Korrelationen zwischen den Pulsaren nachweisen. Das bedeutet, dass jedes Paar von Pulsaren in einer ganz bestimmten Weise auf die Gravitationswellen reagieren muss, je nach dem Abstand der beiden Pulsare am Himmel. „Die Korrelation des Signals zwischen Paaren von Pulsaren ist der Schlüssel zum Verständnis der Signalquelle. Gravitationswellen haben ein sehr spezifisches Muster, das auf andere Weise nur schwer zu erklären ist. Aber wir brauchen ein stärkeres Signal, um diese Korrelation nachweisen zu können“, erklärt Dr. Yanjun Guo, Wissenschaftlerin am MPIfR. Interessanterweise liegt der erste Hinweis auf einen Gravitationswellenhintergrund in einem gemeinsamen Signal, wie es in den aktuellen IPTA-Daten zu sehen ist. Ob dieses spektral ähnliche niederfrequente Signal zwischen den Pulsaren in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen für einen Gravitationswellenhintergrund steht, wird in Zukunft geklärt werden mit weiteren Datenerhebungen, erweiterten Netzwerken von systematisch vermessenen Pulsaren und fortgesetzter Suche in größeren Datensätzen, die einen längeren Zeitraum umfassen.

Konsistente Signale wie dasjenige, das jetzt mit der IPTA-Analyse gefunden wurde, sind bereits in einzelnen Datensätzen der Unternetzwerke veröffentlicht worden, die neueren Datums sind als die jetzt veröffentlichen, und zwar von jeder der drei Gründer-Kollaborationen (EPTA, PPTA & NanoGRAV). „Die Tatsache, dass das gleiche Signal bereits in dem nur über einen kürzeren Zeitraum gehenden IPTA-Datensatz zu sehen ist, zeigt die Stärke der internationalen Kombination und stellt eine große Motivation dar, mehr Daten der aktuellen und neuen Mitgliederkollaborationen in das Pulsar Timing einzubeziehen“, sagt Adytia Parthasarathy vom MPIfR. Zusätzlich werden neue Daten des MeerKAT-Teleskops in Südafrika und des „Indian Pulsar Timing Array“ (InPTA), dem jüngsten Mitglied der IPTA, die zukünftigen Datensätze erweitern. „Der erste Hinweis auf einen Gravitationswellenhintergrund wäre so etwas wie das in unseren jetzigen Daten gesehene Signal. Mit mehr Daten in der Zukunft wird das Signal dann signifikanter werden und räumliche Korrelationen aufweisen, so dass wir wissen, dass es sich um das Signal eines Gravitationswellenhintergrunds handelt. Wir freuen uns sehr darauf, zum ersten Mal mehrere Jahre neuer Daten zum IPTA beizusteuern, um zu einer möglichen Entdeckung beizutragen“, sagt Dr. Bhal Chandra Joshi, Mitglied des „Indian Pulsar Timing Arrays“.

Kürzlich produzierte das European Pulsar Timing Array einen neuen Datensatz mit sechs Pulsaren, mit dem die Beobachtungszeit auf 24 Jahre mit empfindlicheren Daten erweitert werden konnte. Die Analyse erfolgte sowohl für die Suche nach einem gemeinsamen Signal über zwei unabhängige Datenanalysekanäle als auch für eine einzelne Studie zum Rauschen der Pulsare. Es wird weiterhin daran gearbeitet, die Anzahl der Pulsare auf mindestens 25 zu erhöhen. Dieser erweiterte EPTA-Datensatz wird dann auch Teil der nächsten IPTA-Datenkombination werden.

In Anbetracht der zuletzt veröffentlichten Ergebnisse von den Einzelgruppen, die nun alle das gemeinsame Signal darstellen können, ist das IPTA optimistisch, was erreicht werden kann, wenn diese Daten wiederum in der nächsten Datenveröffentlichung (IPTA DR3) kombiniert werden. Die Arbeiten an dieser neuen Datenveröffentlichung, die aktualisierte Datensätze der vier Pulsar-Timing-Arrays des IPTA enthalten wird, sind bereits im Gange. Es ist davon auszugehen, dass die Analyse für die nächste Datenfreigabe innerhalb weniger Jahre abgeschlossen werden kann. „Wenn das Signal, das wir derzeit sehen, der erste Hinweis auf einen Gravitationswellenhintergrund ist, dann ist es auf der Grundlage unserer Simulationen möglich, dass wir in naher Zukunft genauere Messungen der räumlichen Korrelationen erhalten werden, die notwendig sind, um den Ursprung des gemeinsamen Signals eindeutig zu identifizieren“, sagt Dr. Maura McLaughlin von der NANOGrav-Kollaboration. „Das Ganze ist eine echte internationale Teamleistung. Allein die Forschergruppe bei uns am MPIfR besteht aus einer vielfältig zusammengesetzten Gruppe von jüngeren und älteren Wissenschaftlern mit ganz unterschiedlichem kulturellen Hintergrund, die alle am selben Ziel arbeiten“, schließt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“.

Originalveröffentlichung
The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background
IPTA-Kollaboration: J. Antoniadis et al., 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (DOI: 10.1093/mnras/stab3418).
The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background
The IPTA collaboration: J. Antoniadis et al., 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (arXiv link)

Die Autoren der Veröffentlichung sind J. Antoniadis, Z. Arzoumanian, S. Babak, M. Bailes, A.-S. Bak Nielsen, P. T. Baker, C. G. Bassa, B. Bécsy, A. Berthereau, M. Bonetti, A. Brazier, P. R. Brook, M. Burgay, S. Burke-Spolaor, R. N. Caballero, J. A. Casey-Clyde, A. Chalumeau, D. J. Champion, M. Charisi, S. Chatterjee, S. Chen, I. Cognard, J. M. Cordes, N. J. Cornish, F. Crawford, H. T. Cromartie, K. Crowter, S. Dai, M. E. DeCesar, P. B. Demorest, G. Desvignes, T. Dolch, B. Drachler, M. Falxa, E. C. Ferrara, W. Fiore, E. Fonseca, J. R. Gair, N. Garver-Daniels, B. Goncharov, D. C. Good, E. Graikou, L. Guillemot, Y. J. Guo, J. S. Hazboun, G. Hobbs, H. Hu, K. Islo, G. H. Janssen, R. J. Jennings, A. D. Johnson, M. L. Jones, A. R. Kaiser, D. L. Kaplan, R. Karuppusamy, M. J. Keith, L. Z. Kelley, M. Kerr, J. S. Key, M. Kramer, M. T. Lam, W. G. Lamb, T. J. W. Lazio, K. J. Lee, L. Lentati, K. Liu, J. Luo, R. S. Lynch, A. G. Lyne, D. R. Madison, R. A. Main, R. N. Manchester, A. McEwen, J. W. McKee, M. A. McLaughlin, M. B. Mickaliger, C. M. F. Mingarelli, C. Ng, D. J. Nice, S. Oslowski, A. Parthasarathy, T. T. Pennucci, B. B. P. Perera, D. Perrodin, A. Petiteau, N. S. Pol, N. K. Porayko, A. Possenti, S. M. Ransom, P. S. Ray, D. J. Reardon, C. J. Russell, A. Samajdar, L. M. Sampson, S. Sanidas, J. M. Sarkissian, K. Schmitz, L. Schult, A. Sesana, G. Shaifullah, R. M. Shannon, B. J. Shapiro-Albert, X. Siemens, J. Simon, T. L. Smith, L. Speri, R. Spiewak, I. H. Stairs, B. W. Stappers, D. R. Stinebring, J. K. Swiggum, S. R. Taylor, G. Theureau, C. Tiburzi, M. Vallisneri, E. van der Wateren, A. Vecchio, J. P. W. Verbiest, S. J. Vigeland, H. Wahl, J. B. Wang, J. Wang, L. Wang, C. A. Witt, S. Zhang, und X. J. Zhu.

Die an der Veröffentlichung beteiligten Autoren mit Erst- oder Zweitaffiliation am MPIfR sind John Antoniadis, Ann-Sofie Bak Nielsen, David Champion, Gregory Desvignes, Yanjun Guo, Huanchen Hu, Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer, Kejia Lee, Kuo Liu, Robert Main, Adytia Parthasarathy, Nataliya Porayko, und Joris Verbiest.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

27. Oktober 2021 – Die Forschungs-Kollaboration EPTA (das „European Pulsar Timing Array“) berichtet über das Ergebnis einer 24-jährigen Beobachtungskampagne mit den fünf größten europäischen Radioteleskopen, die zu einem möglichen Signal für den seit langem gesuchten Gravitationswellenhintergrund (GWB) geführt hat, der von einander in geringem Abstand umkreisenden supermassereichen Schwarze Löchern in den Zentren von Galaxien erwartet wird. Die Kollaboration bringt Teams von Astronomen an den Instituten der großen europäischen Radioteleskope zusammen, darunter das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, sowie Forschergruppen, die auf die Datenanalyse und die Modellierung von Gravitationswellensignalen spezialisiert sind. Obwohl ein eindeutiger Nachweis damit noch nicht gelungen ist, so stellt es doch einen wichtigen Schritt im Bemühen dar, erstmals Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen im Nanohertz-Bereich aufzuspüren. Das Auffinden des Signals ist das Ergebnis einer beispiellos detaillierten Analyse, bei der zwei unabhängige Methoden zum Einsatz kamen, und zeigt ebenfalls eine starke Ähnlichkeit mit den Ergebnissen der Analysen von anderen Teams.

Die Ergebnisse werden heute online in der Fachzeitschrift “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” veröffentlicht.

Das „European Pulsar Timing Array“ (EPTA) ist eine wissenschaftliche Kollaboration von Teams von Astronomen an den großen europäischen Radioteleskopen sowie weiterer Gruppen, die sich auf die Datenanalyse und die Modellierung von Gravitationswellensignalen (GW) spezialisiert haben. Sie hat eine detaillierte Analyse eines möglichen Signals für den seit langem gesuchten Gravitationswellenhintergrund (GWB) veröffentlicht, der auf supermassereiche Schwarze Löcher zurückzuführen wäre, die sich in geringem Abstand voneinander umkreisen und durch das Verschmelzen von Galaxien entstehen. Obwohl ein eindeutiger Nachweis damit noch nicht gelungen ist, stellt das aktuelle Resultat doch einen bedeutenden Schritt auf dem Weg dar, Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen im Nanohertzbereich (das entspricht einer Größenordnung von nur einem Milliardstel Hertz!) endlich aufzuspüren. Das Kandidatensignal ist das Ergebnis einer beispiellos detaillierten Analyse unter Verwendung zweier unabhängiger Methoden. Darüber hinaus weist das Signal starke Ähnlichkeiten mit den Signalen auf, die bereits in den Analysen von anderen Teams gefunden wurden.

Dieses Ergebnis wurde möglich aufgrund eines Datensatzes, der über einen langen Zeitraum von 24 Jahren mit den fünf großen europäischen Radioteleskopen gesammelt wurde (vgl. Abb. unten). Dazu gehören das 100-m-Radioteleskop des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie bei Effelsberg, das 76-m-Lovell-Teleskop in Cheshire/Großbritannien, das Nançay-Teleskop für Dezimeterradiowellen in Frankreich, das 64-m-Radioteleskop bei Pranu Sanguni (Sardinien/Italien) sowie die 16 Antennen des Westerbork-Synthesis-Radioteleskops in den Niederlanden. Im Beobachtungsmodus des „Large European Array for Pulsars“ (LEAP) sind diese fünf Teleskope so miteinander verbunden, dass sie ein virtuelles voll bewegliches 200-m-Radioteleskop darstellen, mit dem die Empfindlichkeit des EPTA für Gravitationswellen erheblich verbessert wird.

Die von den Magnetpolen der rotierenden Pulsare ausgehenden Strahlen werden als Pulse beobachtet, wenn sie die Sichtlinie zur Erde passieren, ähnlich wie beim Licht eines fernen Leuchtturms. Pulsar Timing Arrays (PTAs) sind Netzwerke von sehr stabil rotierenden Pulsaren, die als Detektoren für Gravitationswellen im galaktischen Maßstab eingesetzt werden. Sie sind insbesondere empfindlich für sehr niederfrequente Gravitationswellen im Milliardstel-Hertz- oder Nanohertz-Bereich. Dadurch wird das Beobachtungsfenster für Gravitationswellen von den hohen Frequenzen mit Hunderten von Hertz erweitert, wie es derzeit von bodengestützten Observatorien (LIGO, Virgo, KAGRA) beobachtet wird. Während deren Detektoren kurzzeitige Kollisionen von stellaren Schwarzen Löchern und Neutronensternen untersuchen, können mit den Pulsar Timing Arrays Gravitationswellen untersucht werden, wie sie von Systemen umeinander rotierender und langsam sich annähernder supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien ausgesandt werden. Die Addition der Gravitationswellen, die von einer kosmischen Population dieser Binärsysteme freigesetzt werden, bildet den Gravitationswellenhintergrund.

„Wir können kleine Änderungen in den Ankunftszeiten der Radiosignale der Pulsare auf der Erde messen, die durch die Deformation der Raumzeit aufgrund einer durchlaufenden Gravitationswelle sehr niedriger Frequenz verursacht werden. In der Praxis zeigen sich diese Deformationen in der Raumzeit als Quellen eines sehr niederfrequenten Rauschens in der Reihe der beobachteten Ankunftszeiten der Pulse, ein Rauschen, das von allen Pulsaren eines Pulsar Timing Arrays gemeinsam erfasst wird“, erklärt Dr. Yanjun Guo, Forscherin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

Die Amplitude dieses Rauschens ist jedoch unglaublich winzig (schätzungsweise zwischen zehn und ein paar hundert Milliardstel Sekunden), und im Prinzip könnten viele andere Effekte ein entsprechendes Rauschen auf jeden einzelnen Pulsar im Pulsar Timing Array übertragen.

Zur Validierung der Ergebnisse wurden dann mehrere unabhängige Auswertungsprogramme mit unterschiedlichen statistischen Rahmen verwendet, um alternative Rauschquellen ausschließen zu können und nach dem Gravitationswellenhintergrund zu suchen. Wichtig ist, dass zwei unabhängige Verfahren im kompletten Verlauf der Analyse verwendet wurden, um eine gegenseitige Konsistenz zu gewährleisten. Zusätzlich wurden drei unabhängige Methoden verwendet, um mögliche systematische Effekte bei den Planetenparametern des Sonnensystems zu berücksichtigen, die in den Modellen zur Vorhersage der Impulsankunftszeiten verwendet werden. Sie stellen einen Hauptkandidaten für falsch-positive Gravitationswellen-Signale dar.

Die Analyse mit beiden Verfahren im Rahmen der EPTA-Beobachtungen ergab ein klares Kandidatensignal für einen Gravitationswellenhintergrund. Die ermittelten spektralen Eigenschaften (d.h. die Variation der Amplitude des beobachteten Rauschens mit der Frequenz) bleiben innerhalb der theoretischen Erwartungen für das erwartete Rauschen des Gravitationswellenhintergrunds.

Dr. Nicolas Caballero, Forscher am Kavli-Institut für Astronomy und Astrophysik in Peking und zweiter Autor der Studie, erklärt: „Mit dem European Pulsar Timing Array wurden in einem 2015 veröffentlichten Datensatz erstmals Hinweise auf ein solches Signal gefunden, aber da die Ergebnisse mit größeren statistischen Unsicherheiten behaftet waren, wurden sie nur streng als obere Grenzen diskutiert. Unsere neuen Daten bestätigen nun eindeutig das Vorhandensein dieses Signals und machen es zu einem Kandidatensignal für den Gravitationswellenhintergrund.“

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt eine ganz bestimmte Beziehung zwischen den Raumzeitverformungen voraus, die die Radiosignale von Pulsaren erfahren, die sich in verschiedenen Himmelsrichtungen befinden. Die Wissenschaftler bezeichnen dies als die räumliche Korrelation des Signals oder die sogenannte Hellings-Downs-Kurve. Ihr Nachweis kann das beobachtete Rauschen als eindeutig von einem Gravitationswellenhintergrund verursacht identifizieren. Dr. Siyuan Chen, Forscher am Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace in Orleans, einer der beiden leitenden Autoren der Untersuchung, bemerkt dazu: „Im Moment erlauben es uns die statistischen Unsicherheiten in unseren Messungen noch nicht, das Vorhandensein der für das Gravitationswellen-Hintergrundsignal erwarteten räumlichen Korrelation zu identifizieren. Für eine weitere Bestätigung müssen wir eine noch größere Zahl von Pulsardaten in die Analyse einbeziehen, aber die aktuellen Ergebnisse sind bereits sehr ermutigend.“

Das „European Pulsar Timing Array“ ist ein Gründungsmitglied des „International Pulsar Timing Array“ (IPTA). Da die Analysen unabhängiger Daten, die von den anderen Partnern in dieser Kooperation (d. h. den NANOGrav- und PPTA-Experimenten) durchgeführt wurden, ebenfalls auf ähnliche gemeinsame Signale hinwiesen, ist es von entscheidender Bedeutung, mehrere Analysealgorithmen anzuwenden, um das Vertrauen in eine mögliche zukünftige GWB-Entdeckung zu erhöhen. Die Mitglieder der internationalen Kooperation arbeiten zusammen und ziehen Schlussfolgerungen aus dem Vergleich ihrer Daten und Analysen, um sich so besser auf die nächsten Schritte vorzubereiten.

Prof. Dr. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Mitglied der Leitungsgruppe des „European Pulsar Timing Arrays“, fasst zusammen: „Die Bestätigung des niederfrequenten Gravitationswellenhintergrunds im Nanohertzbereich, hervorgerufen durch eine Population von supermassereichen Schwarzen Löchern – oder eine andere kosmische Quelle – gibt uns einen einzigartigen Einblick in kosmologische Modelle, und zwar dadurch, dass wir den Prozess des Aufbaus der Galaxien, die wir heute beobachten, quantitativ stark einschränken können. Wir verstärken unsere Bemühungen, indem wir derzeit noch größere und bessere Datensätze analysieren, die es uns ermöglichen, mehr entsprechende Gegenkontrollen durchzuführen, so dass letztendlich kein Spielraum für möglich Fehler mehr bleibt.“

Originalveröffentlichung
Common-red-signal analysis with 24-yr high-precision timing of the European Pulsar Timing Array: Inferences in the stochastic gravitational-wave background search
S. Chen et al: 2021, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 27. Oktober 2021 (DOI: 10.1093/mnras/stab2833).

Die Autoren der Originalveröffentlichung umfassen S. Chen, R. N. Caballero, Y. J. Guo, A. Chalumeau, K. Liu, G. Shaifullah, K. J. Lee, S. Babak, G. Desvignes, A. Parthasarathy, H. Hu, E. van der Wateren, J. Antoniadis, A.-S. Bak Nielsen, C. G. Bassa, A. Berthereau, M. Burgay, D. J. Champion, I. Cognard, M. Falxa, R. D. Ferdman, P. C. C. Freire, J. R. Gair, E. Graikou, L. Guillemot, J. Jang, G. H. Janssen, R. Karuppusamy, M. J.Keith, M. Kramer, X. J. Liu, A. G. Lyne, R. A. Main, J. W. McKee, M. B. Mickaliger, B. B. P. Perera, D. Perrodin, A. Petiteau, N. K. Porayko, A. Possenti, A. Samajdar, S. A. Sanidas, A. Sesana, L. Speri, B.W. Stappers, G. Theureau, C. Tiburzi, A. Vecchio, J. P. W. Verbiest, J. Wang, L. Wang und H. Xu.

Darunter sind folgende Autoren des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (Erst- oder Zweitaffiliation): Yanjun Guo, Kuo Liu, Kejia Lee, Gregory Desvignes, Aditya Parthasarathy, Huanchen Hu, John Antoniadis, Ann-Sofie Bak Nielsen, David Champion, Paulo Freire, Eleni Graikou, Jiwoong Jang, Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer, Robert Main, Nataliya Porayku und Joris Verbiest.

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