Unregelmäßigkeiten beim Pulsar-Timing enthüllen verborgenen Gravitationswellen-Hintergrund – Physics World

Das Universum ist wellenförmig mit einem Hintergrundwirbel aus Gravitationswellen, die von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher ausgesendet werden. Das geht aus jahrelangen Pulsarbeobachtungen hervor, die von mehreren Radioastronomenteams durchgeführt wurden.

Mithilfe von Radioteleskopen in Afrika, Asien, Australien, Europa und den USA leisteten die Teams Pionierarbeit bei der innovativen Technik der Beobachtung subtiler Variationen im Timing von Radiostrahlen von Millisekundenpulsaren.

Millisekundenpulsare gehören zu den präzisesten Uhren der Natur – rotierende Neutronensterne, die hunderte Male pro Sekunde mit unfehlbarer Genauigkeit Radioimpulse auf uns richten. Während Gravitationswellen durch den Raum zwischen uns und den Pulsaren in unserer Galaxie strömen, verzerren sie die Distanz, die diese Pulse zurücklegen müssen, um uns zu erreichen, etwa in der Größe eines Fußballfeldes.

Dies führt dazu, dass die Impulse eines Pulsars etwas früher oder etwas später auf der Erde eintreffen, wobei die zeitlichen Schwankungen der Impulse Milliardstelsekunden betragen, was Gravitationswellen mit Frequenzen im Nanohertz-Bereich entspricht.

Dies ist eine weitaus niedrigere Frequenz als die von beobachteten Gravitationswellenereignisse LIGO und Jungfrau, die zwischen 5 und 20 Hz liegt. Die entsprechende Wellenlänge dieser Hintergrundgravitationswellen ist riesig und erstreckt sich von Spitze zu Spitze zwischen zwei und zehn Lichtjahren.

Mehrere Erkennungen

Im Falle der Europäisches Pulsar-Timing-Array (EPTA) umfasst fünf der größten Radioobservatorien in Frankreich, Deutschland, Italien, den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich, und ihre neuen Ergebnisse umfassen Beobachtungen aus über zwei Jahrzehnten. Gleichzeitig haben auch Teams in Australien, China, Südafrika und den USA ihre Pulsar-Timing-Daten veröffentlicht.

„Im Grunde sehen wir alle das Gleiche“ Michael Keith von der University of Manchester und der EPTA Physik-Welt. „Das ist auf jeden Fall ermutigend.“

Was wir sehen, ist ein Hintergrundrauschen mit Gravitationswellen von überall her, die ständig über die Erde strömen

Michael Keith

Und was jeder sieht, sind unzählige Gravitationswellen, die sich alle überlappen und von fernen extragalaktischen Quellen emittiert wurden. Stellen Sie sich Wellen vor, die nacheinander und übereinander an einem Strand landen.

Keith betont, dass sich diese Ergebnisse von den eindeutigen Ereignissen unterscheiden, die LIGO beobachtet hat und die von verschmelzenden Neutronensternen oder Schwarzen Löchern mit Sternmasse herrühren.

„Was wir sehen, ist ein Hintergrundrauschen, bei dem Gravitationswellen von überall her ständig über die Erde strömen.“

Das Rätsel älterer Daten

Der Befund ist jedoch mit Vorsicht zu genießen. Zuvor die Internationales Pulsar-Timing-Array (IPTA), eine Dachorganisation aller verschiedenen Gruppen auf der Welt, die an diesen Entdeckungen arbeiten, hatte Kriterien für die Bestätigung einer Entdeckung festgelegt.

„Das etwas Merkwürdige ist, dass ich glaube, dass niemand die von der IPTA festgelegte Schwelle erreicht hat“, sagt Keith. „Aber wir haben ziemlich großes Vertrauen in die Beweise.“

Es öffnet ein neues Fenster und eine neue Sichtweise auf das Universum

Michael Keith

Unter der Annahme, dass die Erkennung des Gravitationswellenhintergrunds real ist, werden die Gravitationswellen von binären supermassereichen Schwarzen Löchern ausgesendet – dem Typ, den wir in den Zentren von Galaxien erwarten. Bei einer Galaxienverschmelzung entstehen zwei supermassereiche Schwarze Löcher, und genau wie ihre Muttergalaxien werden schließlich auch die supermassereichen Schwarzen Löcher verschmelzen.

Wenn dies geschieht, senden sie einen stärkeren Satz von Gravitationswellen mit einer höheren Frequenz aus, die von der Raumsonde erfasst werden können Laserinterferometer-Weltraumantenne (LISA)Dabei handelt es sich um einen Vorschlag für eine Mission, die in den 2030er Jahren gestartet werden soll.

Mit Pulsaren Gravitationswellen jagen

Auch das EPTA-Team, das mit indischen und japanischen Wissenschaftlern zusammenarbeitete, fand etwas Rätselhaftes. Ihre Teleskope beobachten und messen Pulsare seit den 1990er Jahren, aber das Gravitationswellensignal war im jüngsten 10-Jahres-Datensatz am stärksten. Als alle Daten hinzugefügt wurden, verschwand das Signal.

„Das Hinzufügen weiterer Daten sollte die Sache nicht noch schlimmer machen“, sagt Keith. „Das ist etwas, das uns ein wenig beunruhigt.“

Eine mögliche Erklärung ist, dass die neueren Daten mit ausgefeilteren Beobachtungstechniken und -technologien gesammelt wurden und dass die früheren Daten im Vergleich dazu von geringerer Qualität und mehr Rauschen waren. Allerdings könnte es auch bedeuten, dass das Signal damals wirklich schwächer war.

„Es ist möglicherweise sehr aufregend, denn es könnte sich herausstellen, dass wir das Gravitationswellensignal sehen, das sich im Laufe der Zeit verändert“, sagt Keith.

Ein Fenster in ein exotisches Universum

EPTA stützte ihre Daten auf die Untersuchung von 25 der hellsten und stabilsten Millisekundenpulsare der Galaxie. Das US-Team beim NANOGrav Physics Frontiers Center hatte eine größere Stichprobe von 67 Pulsaren, die über einen Zeitraum von 15 Jahren beobachtet wurden, daher verfügen sie leider nicht über einen älteren Datensatz, den sie mit den EPTAs vergleichen könnten.

Wie auch immer, die Menge der Hintergrundgravitationswellen lässt auf eine riesige Population binärer supermassereicher Schwarzer Löcher im Universum schließen, mit Hunderttausenden, wenn nicht Millionen, Paaren. Dies ist ein überzeugender Beweis für Modelle der hierarchischen Bildung von Galaxien, bei denen Galaxien durch Verschmelzung mit anderen Galaxien wachsen.

Der nächste Schritt besteht darin, den Hintergrund zu durchforsten, bestimmte Gravitationswellen zu unterscheiden und sie zu ihren Quellen zurückzuverfolgen, wo die Daten dann mit Beobachtungen im elektromagnetischen Bereich des Lichts kombiniert werden können. Es besteht auch das Potenzial für neue und unerwartete Entdeckungen in diesem neuen Gebiet.

„Ich denke, dass es in den nächsten Jahren in einer exotischen Welt willkommen sein wird“, sagt Keith. „Es öffnet ein neues Fenster und eine neue Sichtweise auf das Universum.“

Die Ergebnisse der EPTA sind veröffentlicht in Astronomie und Astrophysik. Die Ergebnisse von NANOGrav sind in veröffentlicht Die astrophysikalischen Zeitschriftenbriefe. Daten des chinesischen Pulsar Timing Arrays werden in veröffentlicht Forschung in Astronomie und Astrophysik. Das australische Parkes Pulsar Timing Array hat seine Ergebnisse veröffentlicht Die astrophysikalischen Zeitschriftenbriefe und Veröffentlichungen der Astronomical Society of Australia.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/pulsar-timing-irregularities-reveals-hidden-gravitational-wave-background/