Eine Illustration zeigt eine Gravitationswellenkarte des Kosmos, die verborgene schwarze Löcher offenbart (Bildnachweis: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology und South African Radio Astronomy Observatory)
Die detaillierteste Karte des Universums, die jemals mit Hilfe von Gravitationswellen erstellt wurde, könnte verborgene schwarze Löcher, verschmelzende supermassive schwarze Löcher und sogar die großräumige Struktur des Kosmos enthüllen.
Die Studie, die von einem Team unter der Leitung von Astronomen der Swinburne University of Technology durchgeführt wurde, stellt auch den bisher größten Detektor für Gravitationswellen im galaktischen Maßstab dar, bei denen es sich im Grunde um Wellen in der Raumzeit handelt.
Diese Forschung hat weitere Beweise für ein Hintergrundsbrummen“ von Gravitationswellen geliefert, das das Universum durchdringt. Dies könnte neue Einblicke in die frühesten schwarzen Löcher des Universums, ihre Entstehung und ihren Einfluss auf die Entwicklung der komischen Struktur ermöglichen.
„Die Untersuchung des [Gravitationswellen-] Hintergrunds ermöglicht es uns, das Echo kosmischer Ereignisse über Milliarden von Jahren hinweg zu verfolgen“, sagte Matt Miles, Mitglied des Teams und Forscher an der Swinburne University, in einer Erklärung. „Es zeigt, wie sich Galaxien und das Universum selbst im Laufe der Zeit entwickelt haben.“
Der Gravitationswellenhintergrund, auf den sich Miles bezieht, wurde durch die Verschmelzung supermassereicher schwarzer Löcher im frühen und fernen Universum erzeugt. Er wurde zum ersten Mal von einem Gravitationswellendetektor aufgedeckt, der eine Vielzahl von sich schnell drehenden Neutronensternen oder „Pulsaren“ und ein präzises Zeitmessinstrument namens Pulsar-Timing-Array als Teil des NANOGrav-Projekts anzapft.
Diese neue Studie stützt sich ebenfalls auf ein Pulsar-Timing-Array, allerdings mit Hilfe des MeerKAT-Radioteleskops in Südafrika. Durch die Verbesserung der Nachweismethoden ermöglichte die Nanosekundengenauigkeit des MeerKAT Pulsar Timing Array dem von Swinburne geleiteten Team ein stärkeres Signal als zuvor. „Was wir sehen, deutet auf ein viel dynamischeres und aktiveres Universum hin, als wir erwartet haben“, sagte Miles. „Wir wissen, dass supermassereiche Schwarze Löcher da draußen verschmelzen, aber jetzt fangen wir an zu fragen: Wo sind sie, und wie viele sind da draußen?“
Gravitationswellenkarte liefert Überraschungen
Gravitationswellen wurden ursprünglich von Albert Einstein in seiner Theorie der Schwerkraft, der „allgemeinen Relativitätstheorie“, vorhergesagt. Das Hauptwerk des großen Physikers besagt, dass Objekte mit Masse die Struktur von Raum und Zeit (die zu einer vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“ vereinigt sind) „verzerren“. Aus einer solchen Verformung entsteht die Schwerkraft.
Einstein sagte jedoch auch voraus, dass massive Objekte, wenn sie beschleunigen, Wellen verursachen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch die Raumzeit ausbreiten. Ein Beispiel für Systeme, die Gravitationswellen aussenden, sind binäre schwarze Löcher, die die Raumzeit in Schwingung versetzen, wenn zwei schwarze Löcher in jedem dieser Systeme umeinander kreisen. Wenn sich die Gravitationswellen von den binären Schwarzen Löchern entfernen, nehmen sie einen Drehimpuls mit. Dieser Energieverlust führt dazu, dass sich die schwarzen Löcher zusammenziehen und immer schneller Gravitationswellen aussenden – bis die Schwerkraft dieser kosmischen Titanen die Oberhand gewinnt und sie kollidieren und verschmelzen.
Dieses gewaltige Ereignis lässt die Raumzeit mit einem hohen „Schrei“ von Gravitationswellen erklingen.
Die Verschmelzung Schwarzer Löcher ist wichtig für das Verständnis der Entwicklung des Kosmos. Auf diese Weise entstehen die supermassereichen schwarzen Löcher mit der Masse von Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen, die in den Herzen großer Galaxien sitzen.
Eine Illustration zweier verschmelzender schwarzer Löcher – ein Prozess, der am besten mit Hilfe von Gravitationswellen untersucht werden kann. (Bildnachweis: NASA)
Pulsare können zum Nachweis von Gravitationswellen verwendet werden, da sie sich bis zu 700 Mal pro Sekunde drehen können; außerdem senden sie Strahlen aus, die den Kosmos wie die Beleuchtung eines kosmischen Leuchtturms überziehen.
Das bedeutet, dass eine große Gruppe von Pulsaren, wenn sie in Massen betrachtet wird, als präzise kosmische Uhr verwendet werden kann – eine Uhr, die empfindlich genug ist, um winzige Fluktuationen in der Raumzeit aufzuspüren, die durch den Durchgang von Gravitationswellen verursacht werden.
Auf diese Weise ermöglichte es das MeerKAT Pulsar Timing Array dem Team, eine sehr detaillierte Gravitationswellenkarte zu erstellen – und dieser aus der Raumzeit geschmiedete kosmische Atlas enthüllte tatsächlich ein überraschendes Merkmal.
Eine Illustration zeigt eine Karte des Kosmos, die durch Gravitationswellen erzeugt wird. (Bildnachweis: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology)
Die Forscher entdeckten eine unerwartete Anomalie in ihrer Karte: einen „Hotspot“, der eine „Richtungsvorliebe“ für Gravitationswellen aufzuweisen scheint.
Bisher waren die Forscher davon ausgegangen, dass der Gravitationswellenhintergrund des Universums keine bevorzugte Richtung hat und daher gleichmäßig über den Himmel verteilt ist. „Das Vorhandensein eines Hotspots könnte auf eine eindeutige Gravitationswellenquelle hindeuten, z. B. ein Paar schwarzer Löcher mit der milliardenfachen Masse unserer Sonne“, sagt Rowina Nathan, Mitglied des Teams und Forscherin an der Monash University. „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.“
Die Ergebnisse des Teams haben die Tür zu neuen, unvorhergesehenen Entdeckungen über die Struktur des Universums geöffnet. Diese Entdeckungen könnte der Gravitationswellendetektor von galaktischer Größe liefern, der aus dem MeerKAT Pulsar Timing Array besteht, das nun seine Gravitationswellenkarte weiter verfeinern wird.
„Indem wir nach Variationen im Gravitationswellensignal am Himmel suchen, sind wir auf der Suche nach den Fingerabdrücken der astrophysikalischen Prozesse, die unser Universum formen“, sagte Kathrin Grunthal , Mitglied des Teams und Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, in der Erklärung.
