Lauschen Sie dem Flüstern des fernen Universums

Durch ein astronomisches Teleskop nach dem anderen wissen wir, dass die Milchstraße über unseren Köpfen nicht das gesamte Universum ist. Also warfen Wissenschaftler einen „Stein“ ins Zentrum der Zeit und die entstandenen „Wellen“ waren Gravitationswellen. Es kann uns helfen, die Geheimnisse zu erkennen, die in den dunklen Tiefen des Universums verborgen sind.

Kürzlich nutzte das chinesische Pulsar Timing Array-Forschungsteam, das sich aus wissenschaftlichen Forschern des Nationalen Astronomischen Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und anderer Einheiten zusammensetzt, das „China Sky Eye“ FAST, um wichtige Beweise für die Existenz von Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich zu finden. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden am 29. Juni Pekinger Zeit online in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics Research“ veröffentlicht.

Chang Jin, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Direktor des Nationalen Astronomischen Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, wies darauf hin, dass Forscher mithilfe von Nanohertz-Gravitationswellen supermassive Himmelskörper im Universum, wie etwa Schwarze Löcher und supermassive Schwarze Löcher, die Entstehung, Entwicklung und Verschmelzung von Galaxien sowie wichtige wissenschaftliche Probleme der Astrophysik, wie etwa die frühe Struktur des Universums, untersuchen können.

Wie schwierig ist es, Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich zu erkennen?

Wir wissen, dass etwa 95 % des Universums ewig „dunkel“ sind. Mithilfe von Gravitationswellenbeobachtungen können wir Spuren dieser dunklen Materie und dunklen Energie erfassen.

Im Jahr 1916 sagte Einstein auf Grundlage seiner allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen voraus. „Weil Gravitationswellen extrem schwach sind, glaubte selbst Einstein nicht, dass Menschen sie wahrnehmen könnten.“ Der Erstautor des Artikels, Xu Heng, Sonderforschungsassistent am National Astronomical Observatory, erklärte gegenüber der Popular Science Times, dass die durch Gravitationswellen verursachten nachweisbaren Effekte zwar recht schwach seien, das US-amerikanische Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) am 14. September 2015 jedoch die erste Beobachtung von Gravitationswellen bekannt gegeben habe.

„Gravitationswellen entstehen durch die beschleunigte Bewegung von Materie. Wir können Gravitationswellen nutzen, um die Bewegung massiver Materie im Universum zu verfolgen.“ Xu Heng erklärte weiter, dass die Raumzeit gekrümmt sein kann. Die Masse eines Objekts verursacht die Krümmung der Raumzeit um es herum. Je größer die Masse, desto stärker ist die Krümmung der Raumzeit.

Solange es im riesigen Universum eine beschleunigte Bewegung der Materie gibt, wird es Gravitationsstrahlung geben. Xu Heng sagte, dass der Frequenzbereich von Gravitationswellen sehr breit sei und von Kilohertz bis 10–16 Hz reiche und dass die Methoden zur Erkennung von Gravitationswellen in verschiedenen Frequenzbändern unterschiedlich seien, da Gravitationswellendetektoren immer nur für Gravitationswellen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs empfindlich seien und sich nicht gegenseitig ersetzen könnten.

„Detektoren für hochfrequente Gravitationswellen (im Hunderthertz-Band) werden hauptsächlich durch erdgebundene Laserinterferometer wie LIGO gemessen; niederfrequente Gravitationswellen (im Millihertz-Band) werden hauptsächlich durch Weltraumlaserinterferometer wie das europäische LISA-Projekt und die Detektoren Taiji und Tianqin meines Landes erfasst“, erläuterte Xu Heng.

Massereichere Objekte erzeugen Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen. Die Gravitationswellen, die durch die Rotation des supermassereichen Doppelsystems Schwarzer Löcher im Zentrum der Galaxie, des massereichsten Himmelskörpers im Universum, erzeugt werden, konzentrieren sich hauptsächlich im Nanohertz-Frequenzband.

„Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich haben eine Periode von mehreren Jahren bis Jahrzehnten und eine Wellenlänge von mehreren zehn Lichtjahren. Bislang ist die einzige bekannte Möglichkeit zur Erkennung die Überwachung mehrerer Pulsare mit hoher zeitlicher Genauigkeit durch Radioteleskope, sogenannte Pulsar-Timing-Arrays“, sagte Xu Heng.

Das heißt, die Erkennung von Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich ist sowohl im physikalischen Maßstab als auch im Zeitmaßstab „groß“ und stellt keine leichte Aufgabe dar.

Warum Pulsare verwenden?

Da es sehr schwierig ist, Gravitationswellen mit Frequenzen im Nanohertz-Bereich zu erkennen, benötigen Wissenschaftler einen zuverlässigen „Assistenten“ und haben daher Pulsare ins Visier genommen.

Pulsare sind eine Art kompakter Himmelskörper, die ihren Namen daher verdanken, dass ihre Strahlen periodisch und schnell über die Erde streichen, wodurch die Menschen auf der Erde periodische Pulse sehen. Der Vorteil eines Pulsars besteht darin, dass seine Rotation sehr stabil ist und er in festen Intervallen ein Pulssignal aussendet. Sofern keine anderen Faktoren eine Rolle spielen, können wir dieses Signal auf der Erde stabil empfangen.

Xu Heng fügte hinzu, dass es für die Erkennung von Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich keine Anforderung an die Entfernung der Pulsare gebe und dass es umso besser sei, je mehr Pulsare es gebe, um Gravitationswellen von anderem Rauschen zu unterscheiden.

Im Juni 2016 startete die Chinesische Akademie der Wissenschaften vorläufige Forschungsarbeiten zu Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich und gründete in Zusammenarbeit mit der Peking-Universität, dem Astronomischen Observatorium Xinjiang, dem Astronomischen Observatorium Yunnan, dem Astronomischen Observatorium Shanghai, dem National Time Service Center, der Universität Guangzhou und anderen beteiligten Einrichtungen das Team des Chinese Pulsar Timing Array (CPTA).

FAST ist derzeit das weltweit größte und empfindlichste Radioteleskop mit einer einzigen Apertur und zugleich das weltweit effizienteste Radioteleskop für die Suche nach Pulsaren. Bis heute wurden mehr als 740 neue Pulsare entdeckt.

Wie unterscheidet sich die Nachweismethode von FAST von anderen Teleskopen, die von LIGO repräsentiert werden? Xu Heng erklärte, dass es hinsichtlich der Prinzipien und der Art der beiden Erkennungen keinen Unterschied gebe. Beide bestimmen die Existenz von Gravitationswellen, indem sie die winzigen Änderungen der elektromagnetischen Wellensignale während des Ausbreitungsprozesses überwachen. Xu Heng führte eine Analogie an: Jeder Pulsar ist der Reflektor eines erdgebundenen Laserinterferometers. „Natürlich wird es einige Unterschiede bei der nachfolgenden Datenverarbeitung und den statistischen Erkennungsmethoden geben.“

Wird ein einzelnes Gravitationswellensignal erkennen

Als direktes Mittel zur Erkennung nicht leuchtender Materie im Universum ist die Erkennung von Gravitationswellen ein langjähriges Ziel der Astronomen. Sie wollen insbesondere durch die kontinuierliche „Überwachung“ dieser tiefen „Geräusche“ im Universum das Auftreten von Schwarzen Löchern oder das frühe Universum aufdecken.

„Informationen wie die physikalische Quelle von Nanohertz-Gravitationswellen erfordern eine präzise Messung des Spektrums der Nanohertz-Gravitationswellen, die wiederum stark vom Zeitintervall unserer Daten abhängt. Je größer das Zeitintervall, desto genauer können wir das Spektrum der Nanohertz-Gravitationswellen messen.“ Xu Heng gab bekannt, dass das Team als nächstes weiterhin Beobachtungen gemäß dem ursprünglichen Plan durchführen, Langzeitdaten sammeln und die Genauigkeit der Erfassung von Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich kontinuierlich verbessern müsse.

Xu Heng sagte, dass das, was jetzt entdeckt wurde, tatsächlich der Hintergrund unzähliger überlagerter Nanohertz-Gravitationswellen sei, was der erste Schritt sei. Das nächste Ziel des Teams besteht darin, Gravitationswellensignale im Nanohertz-Bereich zu erkennen. „Auf diese Weise können wir herausfinden, welches supermassereiche Doppelschwarze Loch im Zentrum einer Galaxie die Gravitationswellen erzeugt hat. Dabei werden Teleskope in allen Wellenlängenbereichen, von der Gammastrahlung bis zum Radiobereich, eine Rolle spielen.

Darüber hinaus ist es auch sehr wichtig, die Informationen des Nanohertz-Gravitationswellenspektrums genau einzugrenzen und dann die physikalische Quelle der Nanohertz-Gravitationswellen zu bestimmen oder genaue Einschränkungen vorzunehmen. „Denn in diesem Frequenzband gibt es neben den Gravitationswellen, die durch die Rotation des supermassereichen Doppelsystems Schwarzer Löcher im Zentrum der Galaxie erzeugt werden, auch einige noch existierende Gravitationswellen aus dem frühen Universum sowie Gravitationswellen, die von seltsamen Objekten wie kosmischen Strings erzeugt werden“, sagte Xu Heng. „Zum jetzigen Zeitpunkt können wir sie jedoch noch nicht unterscheiden.“

Heute wissen wir, dass das Universum von einer Hintergrundstrahlung aus Gravitationswellen umgeben ist, wobei in jeder Ecke lang anhaltende Gravitationswellen mit niedriger Frequenz schwingen und ein Fenster zu vielen unbekannten kosmischen Ereignissen öffnen.