Ein rätselhaftes Summen aus dem Universum beschäftigt Astronomen
Pulsar-Timing-Arrays messen ein kosmisches Summen aus Gravitationswellen. Neue Studie zeigt, was dieses Signal über Galaxienzentren verrät.
Illustration eines supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie. Solche Objekte entstehen häufig als Doppel, wenn Galaxien miteinander verschmelzen. Ihre Umlaufbewegung erzeugt Gravitationswellen, die sich als schwaches Hintergrundsignal im Universum nachweisen lassen.
Foto: Smarterpix / draco-zlat
Das Wichtigste in Kürze
- Pulsar-Timing-Arrays messen ein schwaches Hintergrundsignal aus Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich.
- Das Signal entsteht durch viele supermassive Schwarze-Loch-Paare in verschmelzenden Galaxien.
- Eine neue Analyse zeigt: Galaxienzentren können Dichten von etwa 106 Sonnenmassen pro Kubikparsec erreichen.
- Dreikörper-Wechselwirkungen mit Sternen und dunkler Materie beschleunigen die Annäherung der Schwarzen Löcher.
- Neue Radioteleskope wie FAST und das Square Kilometre Array sollen das kosmische Hintergrundsignal künftig genauer vermessen.
Gravitationswellen durchziehen das Universum. Sie entstehen überall dort, wo enorme Massen beschleunigt werden – etwa wenn Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Solche Ereignisse lassen sich heute bereits messen. Detektoren wie das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) registrieren die winzigen Verzerrungen der Raumzeit.
Doch neben diesen kurzen Signalen existiert auch ein viel schwächeres Hintergrundrauschen. Dieses kosmische „Summen“ entsteht, weil sich Gravitationswellen aus unzähligen Quellen im Universum überlagern. Eine neue Studie zeigt nun: In diesem scheinbar gleichmäßigen Rauschen steckt mehr Information, als Forschende lange vermutet haben. Es verrät nicht nur etwas über verschmelzende Schwarze Löcher – sondern auch über die Struktur der Zentren von Galaxien.
Die Analyse deutet darauf hin, dass sich dort enorme Massen konzentrieren. Im inneren Parsec könnten etwa 106 Sonnenmassen pro Kubikparsec vorhanden sein – eine Mischung aus Sternen und dunkler Materie.
Inhaltsverzeichnis
Pulsare als kosmische Zeitmesser
Um dieses Hintergrundsignal zu untersuchen, nutzen Forschende sogenannte Pulsar-Timing-Arrays. Dabei beobachten sie viele Millisekundenpulsare gleichzeitig.
Millisekundenpulsare sind schnell rotierende Neutronensterne. Sie senden Radiopulse mit erstaunlicher Regelmäßigkeit aus. Ihre Rotationsperioden liegen oft zwischen einer und zehn Millisekunden. Die Stabilität dieser Signale ist so hoch, dass sie mit Atomuhren vergleichbar ist.
Wenn eine Gravitationswelle die Erde passiert, verändert sie minimal die Struktur der Raumzeit. Dadurch verschieben sich die Ankunftszeiten der Pulsarsignale um winzige Beträge. Für einzelne Pulsare sind diese Veränderungen kaum messbar. Doch ein Netzwerk vieler solcher Objekte ermöglicht eine präzise Analyse.
Astronominnen und Astronomen sprechen deshalb häufig von einem Netzwerk kosmischer Uhren. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Kooperation NANOGrav. Sie sammelt seit mehr als 15 Jahren Pulsardaten und gehört zu den Projekten, die erstmals Hinweise auf den sogenannten Nanohertz-Gravitationswellenhintergrund veröffentlicht haben.
Ein Hintergrundsignal aus Schwarzen-Loch-Paaren
Das Hintergrundsignal entsteht durch eine große Population supermassiver Schwarzer-Loch-Paare. Solche Systeme bilden sich, wenn zwei Galaxien miteinander verschmelzen.
In den Zentren der beiden Galaxien befinden sich meist supermassive Schwarze Löcher. Nach der Kollision beginnen diese, einander zu umkreisen. Über Millionen Jahre hinweg verlieren sie Energie und nähern sich langsam an.
Dabei senden sie kontinuierlich Gravitationswellen aus. Die Frequenzen dieser Wellen liegen im Nanohertz-Bereich. Sie sind damit viele Größenordnungen niedriger als die Signale, die Detektoren wie LIGO messen.
Die Überlagerung der vielen Quellen erzeugt schließlich ein permanentes Hintergrundsignal – ein kosmisches Rauschen aus Gravitationswellen.
Eine unerwartete Struktur im Signal
In den Messdaten tauchte jedoch eine Besonderheit auf. Bei den niedrigsten Frequenzen zeigt das Gravitationswellenspektrum eine leichte Krümmung.
Dr. Yifan Chen von der Shanghai Jiao Tong University beschreibt den Ausgangspunkt der Untersuchung so:
„Als mehrere PTA-Kooperationen Messungen des Nanohertz-Gravitationswellenhintergrunds veröffentlichten, stellte sich natürlich die Frage: Können wir diese Daten bereits nutzen, um mehr über die Umgebungen in galaktischen Zentren zu erfahren?“, sagte Chen. „Diese Frage war der direkte Anstoß für unsere Studie.“
Die beobachtete Struktur deutet darauf hin, dass die Umgebung der Schwarzen-Loch-Paare ihre Entwicklung beeinflusst. Allein durch Gravitationswellen lässt sich die Beobachtung nicht vollständig erklären.
Dreikörper-Wechselwirkungen beschleunigen die Annäherung
Das Forschungsteam untersuchte einen möglichen Mechanismus: sogenannte Dreikörper-Wechselwirkungen, auch als gravitational slingshot bezeichnet.
Dabei geraten Sterne oder Teilchen dunkler Materie in die Nähe eines Schwarzen-Loch-Doppels. Durch gravitative Wechselwirkungen werden sie aus dem System herausgeschleudert. Dabei nehmen sie einen Teil der Orbitalenergie mit.
Chen erklärt den physikalischen Hintergrund so:
„Um dies zu verstehen, ist es hilfreich, mit einer einfacheren Situation zu beginnen. Stellen Sie sich ein einzelnes Schwarzes Loch vor, das sich durch eine Wolke aus viel leichteren Teilchen wie Gas, Sternen oder dunkler Materie bewegt. Im Bezugssystem des Schwarzen Lochs neigen diese Teilchen dazu, in entgegengesetzter Richtung zu seiner Bewegung an ihm vorbeizuströmen. Durch die Schwerkraft kann das Schwarze Loch diese Teilchen etwas schneller wegschleudern, wodurch es ein wenig von seiner eigenen Energie verliert und langsamer wird.“
Wenn zwei Schwarze Löcher einander umkreisen, wird dieser Effekt deutlich stärker. Teilchen können mehrfach zwischen beiden Objekten hin- und herfliegen, bevor sie das System verlassen. Dadurch verliert das Doppel schneller Energie – und die beiden Schwarzen Löcher rücken näher zusammen.
Ein Blick in die Zentren von Galaxien
Die Forschenden verglichen ihre Modelle mit dem 15-jährigen Datensatz von NANOGrav. Daraus ließ sich abschätzen, wie dicht das Material im inneren Parsec galaktischer Zentren verteilt ist. Die Analyse deutet auf etwa 106 Sonnenmassen pro Kubikparsec hin.
Chen ordnet das Ergebnis so ein:
„Der von unserer Analyse bevorzugte Dichtebereich stimmt weitgehend mit dem überein, was wir bereits aus elektromagnetischen Beobachtungen der beiden uns am nächsten gelegenen galaktischen Zentren wissen, die wir detailliert untersuchen können: der Milchstraße und der nahe gelegenen Galaxie M87.“
Besonders steile Konzentrationen dunkler Materie im Zentrum – sogenannte Spikes – werden durch die Daten dagegen nicht bevorzugt.
Ein altes Rätsel der Astrophysik
Die Ergebnisse betreffen auch ein bekanntes Problem der Astrophysik: das sogenannte Final-Parsec-Problem.
Theoretische Modelle sagen voraus, dass supermassive Schwarze-Loch-Paare bei Abständen von etwa einem Parsec nur noch langsam Energie verlieren. In diesem Stadium könnten sie extrem lange brauchen, um weiter zusammenzurücken.
Dreikörper-Wechselwirkungen mit Sternen oder dunkler Materie bieten einen möglichen Ausweg aus diesem Szenario. Sie transportieren zusätzliche Energie aus dem System ab. Erst wenn die Schwarzen Löcher deutlich näher zusammenstehen, dominieren Gravitationswellen ihre weitere Entwicklung.
Neue Radioteleskope sollen das Signal präzisieren
Die Forschenden erwarten in den kommenden Jahren deutlich genauere Messungen. „Die Priorität liegt darauf, die Niederfrequenzcharakteristik im Gravitationswellenhintergrund mit empfindlicheren Daten zu bestätigen und besser zu messen“, sagte Chen.
Neue Radioteleskope spielen dabei eine wichtige Rolle. Dazu gehören das chinesische FAST-Observatorium sowie das internationale Projekt Square Kilometre Array.
Mit längeren Beobachtungsreihen und mehr bekannten Pulsaren lässt sich das kosmische Hintergrundsignal künftig deutlich präziser analysieren. Dadurch könnten Forschende nicht nur Verschmelzungen supermassiver Schwarzer Löcher untersuchen. Auch die Struktur galaktischer Kerne rückt stärker in den Fokus.
Das kosmische Summen entwickelt sich damit zu einem neuen Instrument der Astronomie.
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