Das Dröhnen der Gravitationswellen verschmelzender supermassereicher Schwarzer Löcher wurde zum ersten Mal im Universum gehört

Nachdem Wissenschaftler 15 Jahre lang Daten in einem galaxiengroßen Experiment gesammelt hatten, „hörten“ sie zum ersten Mal den ewigen Chor der Gravitationswellen, die sich durch das Universum bewegen – und er ist lauter als erwartet.

Die bahnbrechende Entdeckung wurde von Wissenschaftlern des North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav) gemacht, die Sterne, sogenannte Pulsare, die als himmlische Metronome fungieren, genau beobachten. Die neu entdeckten Gravitationswellen – Wellen im Gefüge der Raumzeit – sind die stärksten, die jemals gemessen wurden: Sie tragen fast eine Million Mal mehr Energie als einzelne entdeckte Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Durch Experimente wie LIGO und Virgo.

Nanograph-Wissenschaftler berichten in einer Reihe neuer Arbeiten, die heute in Nanograph erscheinen Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

sagt die NANOGrav-Wissenschaftlerin Chiara Mingarelli, die als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Center for Computational Astrophysics (CCA) in New York City an den neuen Erkenntnissen arbeitete. „Dies ist der erste Beweis für einen Gravitationswellenhintergrund. Wir haben ein neues Beobachtungsfenster zum Universum geöffnet.“

Die Existenz und Entstehung von Hintergrundgravitationswellen – lange Zeit theoretisch, aber unbekannt – bietet eine Fundgrube neuer Erkenntnisse zu seit langem bestehenden Fragen, vom Schicksal von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher bis zur Häufigkeit von Galaxienverschmelzungen.

Derzeit kann NANOGrav nur den gesamten Gravitationswellenhintergrund messen und nicht die Strahlung einzelner „Sänger“. Aber auch das brachte Überraschungen.

„Der Gravitationswellenhintergrund ist etwa doppelt so hoch wie ich erwartet hatte“, sagt Mingarelli, jetzt Assistenzprofessor an der Yale University. „Es liegt wirklich am oberen Ende dessen, was unsere Modelle aus supermassereichen Schwarzen Löchern erschaffen können.“

Die ohrenbetäubende Größe kann auf experimentelle Einschränkungen oder schwerere und häufiger vorkommende supermassereiche Schwarze Löcher zurückzuführen sein. Es bestehe aber auch die Möglichkeit, dass etwas anderes starke Gravitationswellen erzeugt, sagt Mingarelli, etwa Mechanismen, die von der Stringtheorie vorhergesagt werden, oder alternative Erklärungen für die Geburt des Universums. „Was als nächstes kommt, ist alles“, sagt sie. „Das ist erst der Anfang.“

Ein galaxienweites Erlebnis

An diesen Punkt zu gelangen, war jahrelang eine Herausforderung für das NANOGrav-Team. Die von ihnen eingefangenen Gravitationswellen sind anders als alles, was bisher gemessen wurde. Im Gegensatz zu den Hochfrequenzwellen, die von bodengestützten Instrumenten wie LIGO und Virgo erfasst werden, besteht der Gravitationswellenhintergrund aus Ultrahochfrequenzwellen. Der Aufstieg und Fall einer Welle kann Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern. Da sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, kann eine einzelne Wellenlänge mehrere zehn Lichtjahre betragen.

Kein Experiment auf der Erde konnte solche massiven Wellen nachweisen, daher schaute das NANOGrav-Team stattdessen zu den Sternen. Sie beobachteten genau Pulsare, die ultradichten Überreste massereicher Sterne, die zur Supernova geworden sind. Pulsare wirken wie stellare Leuchtfeuer, indem sie Radiowellenstrahlen von ihren Magnetpolen abgeben. Da sich Pulsare so schnell drehen (manchmal hunderte Male pro Sekunde), fegen diese Strahlen über den Himmel und erscheinen von unserem Standort auf der Erde aus als rhythmische Impulse von Radiowellen.

Die Impulse treffen auf den Boden wie ein perfektes Metronom. Der Zeitpunkt ist so präzise, ​​dass Astronomen, als Jocelyn Bell 1967 die ersten Radiowellen maß, dachten, es könnten Signale einer außerirdischen Zivilisation sein.

Wenn eine Gravitationswelle zwischen uns und dem Pulsar verläuft, bringt sie das Timing der Radiowellen durcheinander. Dies liegt daran, dass Gravitationswellen, wie Albert Einstein vorhergesagt hat, den Raum dehnen und komprimieren, während sie sich durch das Universum bewegen, wodurch sich die Entfernung ändert, die Radiowellen zurücklegen müssen.

Seit 15 Jahren messen NANOGrav-Wissenschaftler aus den USA und Kanada Radiowellenimpulse von Dutzenden Millisekundenpulsaren in unserer Galaxie mit dem Arecibo-Observatorium in Puerto Rico, dem Green Bank Telescope in West Virginia und dem Very Large Array in New Mexico. Die neuen Erkenntnisse sind das Ergebnis einer detaillierten Analyse einer Gruppe von 67 Pulsaren.

„Pulsare sind tatsächlich sehr schwache Radioquellen, daher benötigen wir für dieses Experiment Tausende von Stunden pro Jahr an den größten Teleskopen der Welt“, sagt Maura McLaughlin von der West Virginia University, Co-Direktorin des Physics Frontiers Nanograph Center. „Diese Erkenntnisse werden durch das kontinuierliche Engagement der National Science Foundation (NSF) für diese hochsensiblen Radioobservatorien ermöglicht.“

Hintergrunderkennung

Im Jahr 2020 begannen die NANOGrav-Wissenschaftler mit Daten aus etwas mehr als 12 Jahren Hinweise auf ein Signal zu erkennen, ein zusätzliches „Brummen“, das dem Zeitverhalten aller Pulsare im Array gemeinsam ist. Jetzt, nach drei Jahren zusätzlicher Beobachtungen, haben sie konkrete Beweise für die Existenz des Gravitationswellenhintergrunds gesammelt.

„Da wir nun Beweise für Gravitationswellen haben, besteht der nächste Schritt darin, unsere Beobachtungen zu nutzen, um die Quellen zu untersuchen, die dieses Summen erzeugen“, sagt Sarah Vigeland von der University of Wisconsin-Milwaukee, Vorsitzende der NANOGrav Detection Working Group.

Die wahrscheinlichsten Quellen für den Gravitationswellenhintergrund sind Paare supermassereicher Schwarzer Löcher, die in einer Todesspirale gefangen sind. Diese Schwarzen Löcher sind wirklich massiv und enthalten Milliarden der Sonnenmasse. Fast alle Galaxien, einschließlich unserer Milchstraße, haben in ihrem Kern mindestens eine Riesengalaxie. Wenn zwei Galaxien verschmelzen, können supermassereiche Schwarze Löcher aufeinander treffen und beginnen, einander zu umkreisen. Mit der Zeit verengen sich ihre Umlaufbahnen, wenn Gas und Sterne zwischen den Schwarzen Löchern hindurchströmen und Energie stehlen.

Schließlich kommen supermassereiche Schwarze Löcher so nahe heran, dass der Energiediebstahl aufhört. Einige theoretische Studien argumentieren seit Jahrzehnten, dass Schwarze Löcher dann auf unbestimmte Zeit abstürzen, wenn sie einen Parsec (etwa drei Lichtjahre) voneinander entfernt sind. Diese Nähe-aber-keine-Zigarre-Theorie ist als das letzte Parsec-Problem bekannt geworden. In diesem Szenario führen nur seltene Kombinationen von drei oder mehr supermassiven Schwarzen Löchern zu Verschmelzungen.

Paare supermassiver Schwarzer Löcher können jedoch einen Trick im Ärmel haben. Während sie einander umkreisen, können sie Energie wie starke Gravitationswellen aussenden, bis sie schließlich kollidieren und eine Katastrophe auslösen. „Sobald zwei Schwarze Löcher nahe genug kommen, um von Pulsar-Timing-Arrays gesehen zu werden, kann nichts ihre Verschmelzung in nur wenigen Millionen Jahren aufhalten“, sagt Luke Kelley von der University of California in Berkeley, Leiter der NANOGrav-Astrophysikgruppe.

Die Existenz des von NANOGrav gefundenen Gravitationswellenhintergrunds scheint diese Vorhersage zu stützen, die das aktuelle Parsec-Problem lösen könnte.

Da Paare supermassiver Schwarzer Löcher durch Galaxienverschmelzungen entstehen, wird ihre Fülle an Gravitationswellen Kosmologen dabei helfen, abzuschätzen, wie oft Galaxien im Laufe der Geschichte des Universums kollidieren. Mingarelli, Postdoktorandin Deborah C. Judd vom CCA und der University of Connecticut und Kollegen untersuchten die Intensität des Gravitationswellenhintergrunds. Sie schätzen, dass Hunderttausende oder vielleicht eine Million oder mehr supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern das Universum bevölkern.

alternative Quellen

Nicht alle von NANOGrav erfassten Gravitationswellen stammen notwendigerweise von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher. Andere theoretische Vorschläge sagen ebenfalls Wellen im sehr niedrigen Frequenzbereich voraus. Die Stringtheorie sagt beispielsweise voraus, dass sich im frühen Universum möglicherweise eindimensionale Verwerfungen, sogenannte kosmische Strings, gebildet haben. Diese Saiten können Energie zerstreuen, indem sie Gravitationswellen aussenden. Eine weitere Vermutung besagt, dass das Universum nicht mit dem Urknall begann, sondern mit dem Big Bounce, bei dem das negative Universum in sich zusammenfiel, bevor es sich nach außen ausdehnte. In einer solchen Ursprungsgeschichte würden die Gravitationswellen des Unfalls immer noch Wellen durch die Raumzeit ziehen.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass Pulsare nicht die perfekten Gravitationswellendetektoren sind, für die Wissenschaftler sie halten, sondern dass sie stattdessen eine unbekannte Asymmetrie aufweisen, die die NANOGrav-Ergebnisse verzerrt. „Wir können nicht zu einem Pulsar gehen und ihn ein- und wieder ausschalten, um zu sehen, ob etwas nicht stimmt“, sagt Mingarelli.

Das NANOGrav-Team hofft, bei der weiteren Überwachung von Pulsaren alle möglichen Faktoren für den neu entdeckten Gravitationswellenhintergrund zu erforschen. Die Gruppe plant, den Hintergrund anhand der Frequenz der Wellen und ihres Ursprungs am Himmel aufzuschlüsseln.

internationale Bemühungen

Glücklicherweise ist das NANOGrav-Team mit seiner Suche nicht allein. Mehrere heute veröffentlichte Arbeiten einer Kollaboration mit Teleskopen in Europa, Indien, China und Australien weisen auf die gleichen Gravitationswellen-Hintergrundsignale in ihren Daten hin. Im Rahmen des International Pulsar Timing Matrix-Konsortiums bündeln einzelne Gruppen ihre Daten, um das Signal besser zu charakterisieren und seine Quellen zu identifizieren.

„Unsere kombinierten Daten werden noch aussagekräftiger sein“, sagt Stephen Taylor von der Vanderbilt University, der die neue Forschung mitleitete und derzeit den Vorsitz der NANOGrav-Kollaboration innehat. „Wir sind gespannt darauf, die Geheimnisse zu entdecken, die sie über unser Universum enthüllen werden.“