Der Bass des Universums: Das Ensemble der geheimnisvollsten Objekte der Milchstraße

Die obige künstlerische Darstellung zeigt Sterne, schwarze Löcher und Nebel, die auf einem Gitter verteilt sind, das das Gefüge der Raumzeit darstellt. Die Wellen in dieser Struktur werden Gravitationswellen genannt.

Die NANOGrav-Zusammenarbeit hat Hinweise auf Gravitationswellen entdeckt, die von einem Schwarzen Loch erzeugt werden, das die Milliardenfache Masse unserer Sonne hat. Bildnachweis: NANOGrav Collaboration; Aurore Simonet

Im Zentrum der Milchstraße befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse, die vier Millionen Sonnen entspricht, etwa 26.000 Lichtjahre von uns entfernt. Er trägt den Namen Sagittarius A (abgekürzt SgrA) und ist eines der geheimnisvollsten Objekte in der Milchstraße.

Als Himmelskörper mit extrem starker Gravitationskraft kann ein Schwarzes Loch umgebende Materie und Licht verschlucken, so dass es ihnen nicht mehr entkommen kann. Aber Schwarze Löcher sind nicht allein; Sie interagieren auch mit anderen Schwarzen Löchern.

Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, erzeugen sie ein Phänomen namens Gravitationswellen, ähnlich wie Wellen entstehen, wenn zwei Steine ​​aufs Wasser fallen. Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die entstehen, wenn Himmelskörper im Weltraum rotieren oder kollidieren. Sie können den Weg des Lichts verändern und dazu führen, dass weit entfernte Sterne flackern oder dunkler werden.

Gravitationswellen können uns helfen, die Geheimnisse schwarzer Löcher und des Universums zu erforschen, sie sind jedoch sehr schwer zu erkennen, da sie schwach sind und mit der Entfernung abnehmen. Derzeit erfassen Wissenschaftler Gravitationswellensignale unterschiedlicher Frequenzen und Quellen mithilfe von Detektoren auf der Erde und im Weltraum.

Im Juli dieses Jahres gab ein internationales Kooperationsprojekt namens North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) eine bedeutende Entdeckung bekannt: Sie fanden den ersten Beweis dafür, dass der Gravitationswellenhintergrund mit langer Wellenlänge im Universum allgegenwärtig ist. Dieser Gravitationswellenhintergrund wird von supermassereichen Schwarzen Löchern erzeugt, deren Masse bis zu Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne, die sich Hunderte Millionen Jahre lang gegenseitig umkreisen, bevor sie verschmelzen.

Dieses Signal ist wie ein kosmischer Bass, der es uns ermöglicht, die Ensemblemusik supermassiver Schwarzer Löcher in Raum und Zeit zu hören.

Die Existenz von Gravitationswellen wurde vor einem Jahrhundert von Albert Einstein vorhergesagt. In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieb er, wie Materie und Energie die Raumzeit krümmen und so das Phänomen erzeugen, das wir als Schwerkraft kennen.

Doch erst im Jahr 2015 registrierten Menschen erstmals Gravitationswellen. Diese historische Entdeckung wurde vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den Vereinigten Staaten gemacht. Die beiden Detektoren von LIGO haben ein extrem kurzes Gravitationswellensignal von weniger als einer Sekunde Dauer aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erfasst. Es kam am 14. September 2015 nach einer langen Reise von 1,3 Milliarden Jahren auf der Erde an. Seitdem haben LIGO und der europäische Gravitationswellendetektor Virgo mehrere ähnliche Signale sowie Gravitationswellensignale aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne registriert.

NANOGrav, der Protagonist dieser bedeutenden Entdeckung, ist ein internationales Kooperationsprojekt von mehr als 190 Wissenschaftlern aus den Vereinigten Staaten und Kanada, das ein Pulsar Timing Array (PTA) verwendet.

Ein Pulsar ist ein seltsamer, kompakter Stern, der sich Hunderte Male pro Sekunde dreht und wie ein Leuchtturm Radiowellen erzeugt. Diese Impulse sind so stabil, dass sie es uns ermöglichen, winzige zeitliche Änderungen wahrzunehmen, die durch die Dehnung und Stauchung der Raumzeit verursacht werden. Mithilfe von Pulsaren können Wissenschaftler die Zeit auf einige zehn Nanosekunden genau vorhersagen, was in manchen Fällen der gleichen Genauigkeit entspricht wie Atomuhren. Wenn wir mehrere Pulsare überwachen und feststellen, dass sie das gleiche Muster zeitlicher Variationen aufweisen, also zeitliche Residuen zwischen den Modellvorhersagen und tatsächlichen Beobachtungen, können wir auf die Existenz von Gravitationswellen schließen.

Derzeit gibt es drei große Pulsar-Timing-Array-Projekte zur Erfassung der kosmischen Gravitationswellenhintergrundstrahlung. Neben NANOGrav gibt es das European Pulsar Timing Array (EPTA) und das Australian Parkes Pulsar Timing Array (PPTA). Kürzlich kamen neue Kräfte hinzu, wie etwa das chinesische Pulsar Timing Array, das indische Pulsar Timing Array (InPTA) und das südafrikanische Pulsar Timing Array (SAPTA). Bei diesen Projekten kommen die größten und empfindlichsten Radioteleskope der Welt zum Einsatz, etwa das Very Large Array (VLA) in New Mexico, USA, das Parkes Observatory in New South Wales, Australien, und das Five hundred meter Aperture Spherical Telescope (FAST) in der Provinz Guizhou, China. Diese Teleskope beobachten alle paar Wochen mehr als 100 Pulsare und zeichnen die genauen Zeiten auf, zu denen sie Radioimpulse aussenden.

NANOGrav hat 15 Jahre damit verbracht, hochpräzise Daten von mehreren Radioteleskopen zu sammeln, darunter dem Green Bank Telescope in West Virginia, dem Arecibo-Observatorium in Puerto Rico und dem Very Large Array-Radioteleskop, bei dem 68 Millisekundenpulsare beobachtet wurden.

Dies ist ein Meilenstein, denn es ist das erste Mal, dass Menschen eine Gravitationswellenhintergrundstrahlung mit niedriger Frequenz entdeckt haben und dass zum ersten Mal Gravitationswellensignale nachgewiesen wurden, die durch die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher erzeugt wurden.

Die von LIGO erfassten Gravitationswellen haben viel höhere Frequenzen als die von NANOGrav registrierten (NANOGrav hat seinen Namen von der Tatsache, dass es niederfrequente Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich oder einen Zyklus alle paar Jahre erfasst). Hochfrequente Gravitationswellen entstehen durch kleinere Paare schwarzer Löcher, die sich in den letzten Sekunden vor ihrer Kollision schnell umkreisen. Niederfrequente Gravitationswellen werden dagegen vermutlich von riesigen schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien erzeugt, die bis zu Milliarden Mal massereicher sind als unsere Sonne, langsam umeinander kreisen und noch Millionen von Jahren brauchen, bevor sie verschmelzen.

In einer neuen Studie glauben Wissenschaftler, dass NANOGrav das kollektive „Summen“ der Gravitationswellen vieler Paare verschmelzender supermassiver Schwarzer Löcher im gesamten Universum erkannt hat. „Die Leute haben dieses Signal eher mit einem Hintergrundgeräusch verglichen als mit dem lauten Schrei, den LIGO erkennt“, erklärt Katerina Chatziioannou, Assistenzprofessorin für Physik am California Institute of Technology (Caltech) und Mitglied des NANOGrav-Teams.

Der niederfrequente Gravitationswellenhintergrund ist wichtig, weil er uns helfen kann, die Geheimnisse der Schwarzen Löcher und des Universums besser zu verstehen. Der niederfrequente Gravitationswellenhintergrund ermöglicht es uns, die Häufigkeit und Eigenschaften von Verschmelzungen supermassiver Schwarzer Löcher zu kennen, was für die Untersuchung der Entwicklung der Milchstraße und des Universums sehr wichtig ist.

Wissenschaftler glauben, dass supermassereiche Schwarze Löcher während der Entstehung und Entwicklung der Milchstraße möglicherweise dadurch gewachsen sind, dass sie kontinuierlich andere Schwarze Löcher verschluckt und mit ihnen verschmolzen haben. Außerdem sind sie maßgeblich an der Struktur und Dynamik der Milchstraße beteiligt. Durch die Erfassung des niederfrequenten Gravitationswellenhintergrunds können wir die Rate und Verteilung der Verschmelzungen supermassiver Schwarzer Löcher abschätzen und so Rückschlüsse auf die Geschichte und Zukunft der Milchstraße und des Universums ziehen.

Durch die Erfassung des niederfrequenten Gravitationswellenhintergrunds können wir testen, ob die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie und anderer Theorien auf unterschiedlichen Skalen und unter unterschiedlichen Bedingungen konsistent sind, und so möglicherweise neue physikalische Phänomene oder Gesetze entdecken.

Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, Sagittarius A*, könnte sich ebenfalls auf Kollisionskurs mit anderen Schwarzen Löchern befinden oder in Zukunft kollidieren, was seine Masse und Form verändern und die Entwicklung unserer Galaxie beeinflussen würde.

Eine Reihe von Artikeln mit den neuesten Forschungsergebnissen von NANOGrav wurden zur Veröffentlichung in The Astrophysical Journal Letters angenommen. Das Papier, das die Beweise für Gravitationswellen beschreibt, trägt den Titel „NANOGrav 15-Jahre-Datensatz: Beweise für einen Gravitationswellenhintergrund“ und wurde gemeinsam von zwei ehemaligen JPL-Postdocs geleitet: Sarah Vigeland, jetzt an der University of Wisconsin in Milwaukee, und Stephen Taylor, jetzt an der Vanderbilt University.