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

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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