Ein Supermassiver Test für Einsteins berühmte Theorie

Eine präzise neue Methode zur Messung von Gravitationswellen eröffnet ein neues Kapitel in der allgemeinen Relativitätstheorie.

Irgendwo, weit, weit weg und vor langer, langer Zeit, sind zwei supermassive schwarze Löcher zusammengekommen und haben ein binäres System gebildet. Diese schwarzen Löcher besitzen gewaltige Massen, mindestens 100 Millionen Mal so viel wie unsere Sonne. Sie waren aneinander gebunden und schienen einen ewigen Tanz zu vollführen, der zehn Millionen Jahre dauerte, wobei sie sich gegenseitig umkreisten und dadurch Rippel im Gewebe der Raumzeit erzeugten, die für uns bald messbar sein könnten. Während die beiden ihren Tanz fortsetzen, verlieren sie Energie und ziehen ihre Partner immer näher zusammen. Diese eonischen Spiralen sind Tänze, denen wir als Autoren unseren Gedanken widmen.

Pulsare sind so genau und vorhersagbar, dass sie die ursprünglichen Gravitationswellendetektoren der Natur sind.

Je näher wir ihrem Nachweis kommen, desto mehr Geheimnisse werden enthüllt, die das Wissen über die Physik, die die massivsten bekannten Schwarzen Löcher der Menschheit, die Entwicklung von Galaxien und ob das Universum im großen Maßstab so funktioniert, wie Einstein es vorhergesagt hat, revolutionieren könnten.

Schon 1916 hatte Einstein vorausgesagt, dass Schwarze Löcher, wenn sie miteinander verschmelzen, Energie verlieren. Allerdings glaubte er, dass die Rippel, die diese Schwarzen Löcher erzeugen - diese Gravitationswellen - zu klein wären, um jemals nachgewiesen zu werden. Seine Theorie, die allgemeine Relativitätstheorie, besagt, dass die Gravitation durch ein massives Objekt verursacht wird, das Raum und Zeit um sich herum krümmt, vereint durch eine neue Größe namens Raumzeit. Unter Verwendung der von dieser Theorie vorgegebenen Prinzipien wurde das Konzept der Gravitationswellen geboren.

Gravitationswellen - Rippel im Gewebe der Raumzeit selbst - können entstehen, wenn sich beschleunigte Massen, wie zum Beispiel Paare von Schwarzen Löchern, zu verschmelzen beginnen. Wenn diese Gravitationswellen durch das Universum pflügen, dehnen und quetschen sie das gesamte Gewebe der Raumzeit selbst, so dass alles wie ein Paar Tanzende oszilliert, wenn sie hindurchgehen und ihren nächsten Partner erreichen.

Die Vorhersage von Gravitationswellen, die von verschmelzenden Schwarzen Löchern ausgesendet werden, hat 100 Jahre gedauert, um nachgewiesen zu werden. Tatsächlich dauerte es Jahrzehnte technologischer Fortschritte, um ein empfindliches Instrument zu schaffen, das den ersten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 ermöglichte. Dieses Instrument, genannt LIGO, kann nur Gravitationswellen von Schwarzen Löchern etwa zehnmal so schwer wie unsere Sonne, sogenannte stellare Massenschwarze Löcher, nachweisen. Um supermassive schwarze Löcher nachzuweisen, müssten wir einen astronomisch größeren Gravitationswellendetektor bauen.

Wenn wir auf die langsam umkreisenden supermassiven Schwarzen Löcher zurückschauen, werden Gravitationswellen in alle Richtungen wie eine sich immer weiter vergrößernde Pirouette ausgestrahlt. Dieses Wirbeln kann scheinbar ewig dauern: Jede Umlaufbahn dauert Jahre bis Jahrzehnte, und der gesamte Verschmelzungsprozess kann Millionen Jahre, vielleicht auch länger, dauern. Es gibt ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie, das Sagittarius A* genannt wird und stolze 4 Millionen Sonnenmassen wiegt.

Noch interessanter ist, dass dies nicht nur bei einem einzigen binären supermassiven Schwarzen Loch passiert. Potenziell umkreisen Millionen von solchen Schwarzen Löchern langsam ihren Partner, wobei sich ihre Gravitationswellensignale übereinander stapeln und einen Gravitationsrauschen oder eine Gravitationswellenhintergrund erzeugen. Diese Hintergrundamplitude wird durch die Anzahl der Supermassiven Schwarzen Lochbinärsysteme, die ihn erzeugen, ihre Entfernung von der Erde und die Massen der Schwarzen Löcher selbst festgelegt. Diese Amplitude variiert auch als Funktion der Frequenz der Gravitationswelle, vom Nanohertz-Regime zum Mikrohertz-Regime - Millionen Male niedrigerer Frequenz als das, was die LIGO-Detektoren jemals messen können. Aber wie können wir solch niedrigfrequente Gravitationswellen detektieren? Konkret dauert es etwa 30 Jahre, bis ein 1-Nanohertz-schweres Supermassives Schwarzes Lochbinär um eine Umlaufbahn abschließt.

Wie zeigen sich diese Verschmelzungssignaturen im Gravitationswellenhintergrund?

Zum Beispiel sind Sterne und Gas viel besser darin, Schwarze Löcher zur Verschmelzung zu bringen, wenn sie weit voneinander entfernt sind. Erst wenn die Schwarzen Löcher sehr nah beieinander sind, übernimmt die Gravitationswellenemission wirklich die Oberhand. Wir können vorhersagen, dass die Amplitude des Gravitationswellenhintergrunds bei sehr niedrigen Frequenzen, wo das Gas und die Sterne den größten Beitrag zur Annäherung der Schwarzen Löcher leisten, niedriger sein könnte als erwartet.

Darüber hinaus sollten diese Gravitationswellen die Abstände zwischen Objekten um einen Teil von einer Million Milliarden verändern. Um solch kleine Störungen im Raumzeitgefüge nachzuweisen, greifen wir auf die besten natürlichen Uhren in unserer Galaxie zurück - Millisekundenpulsare. Diese Pulsare sind Neutronensterne, die Radiowellen aussenden, die von Radioteleskopen auf der Erde jedes Mal erfasst werden können, wenn sie sich um sich selbst drehen. Sie können uns auch Einblick in diesen kosmischen gravitativen interpretativen Tanz geben. Die Ankunftszeiten der Pulsarimpulse sind so genau und vorhersagbar, dass sie über ein Jahrzehnt hinweg auf Hunderte von Nanosekunden genau getaktet werden können - oder ein Teil von einer Million Milliarden sind. Damit sind sie die originalen Gravitationswellendetektoren der Natur.

Während die Gravitationswellen durch unsere Galaxie reisen und das Gewebe der Raumzeit dehnen und quetschen, treffen die Pulsarimpulse etwas früher oder etwas später ein, da die Pulsare sich ein kleines Stückchen näherkommen und dann wieder weiter entfernen. Da wir genau wissen, wann die Pulsarimpulse eintreffen sollten, können Veränderungen dabei auf die Anwesenheit von Gravitationswellen hinweisen. Diese Sammlung von Pulsaren und Radioteleskopen zur Synchronisation der Pulsare wird Pulsar Timing Array (PTA) genannt und verwandelt die gesamte Galaxie effektiv in einen Gravitationswellendetektor.

Neue Forschungen zeigen, dass Pulsare als natürliche Gravitationswellendetektoren dienen können.

Dies ist eine erstaunliche Entdeckung, wenn man bedenkt, wie schwierig es war, die bodenbasierten Gravitationswellendetektoren wie LIGO zu bauen. Die Empfindlichkeit, die benötigt wird, um Schwankungen mit LIGO zu detektieren, dauerte über 40 Jahre und kostete Milliarden von Dollar. Im Gegensatz dazu sind "ultra-stabile Pulsare" - die 1982 entdeckt wurden - natürliche Gravitationswellendetektoren. Die Natur hat manchmal mehr drauf als die Menschheit.

Natürlich steht die Zeit nicht still, nicht einmal für einen Neutronenstern.

Es gibt immer noch interne Prozesse in den Pulsaren, die zu Veränderungen in der Periode führen könnten. Wie lässt sich dieses Signal erklären?

Durch die Kreuzkorrelation der Ankunftszeiten der Pulsare können wir nach einem gemeinsamen Signal in allen Pulsaren suchen und somit jegliches intrinsisches Rauschen der Pulsare unterdrücken. Je mehr Pulsare wir zu unserem Array hinzufügen, desto besser wird unser Signal. Nachdem wir diese Kreuzkorrelation in den Ankunftszeiten der Pulsare durchgeführt haben, sollten zwei Signale übrig bleiben, da sie allen Pulsaren gemeinsam sind: die Amplitude des Gravitationswellenhintergrunds und die charakteristische Hellings-Downs-Kurve.

Ein grundlegender Artikel von R.W. Hellings und G.S. Downs aus dem Jahre 1983 führte die Idee ein, dass kreuzkorrelierte Pulsar-Paare in charakteristischer Weise auf das Vorhandensein eines Gravitationswellenhintergrunds reagieren werden. Wenn wir eine große Anzahl von Pulsaren haben, wie es in der North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) der Fall ist, scheint die Punkt-für-Punkt-Korrelationsfunktion eine Kurve zu bilden. Diese Kurve wird als Hellings-Downs-Kurve bezeichnet. Sie zeigt, wie die Amplitude des Gravitationswellenhintergrunds modifiziert wird, in Abhängigkeit des Winkels, der jedes Pulsar-Paar voneinander trennt. Diese charakteristische Form kann durch keinen anderen natürlichen Prozess erzeugt werden und gilt weitgehend als Beweis für das Vorhandensein eines Gravitationswellenhintergrunds in einem Pulsar-Timing-Array.

Durch das Auffinden sowohl der Hellings-Downs-Kurve als auch des gemeinsamen Amplitudensignals des Gravitationswellenhintergrunds in unseren kreuzkorrelierten Pulsardaten können wir unsere Millionen tanzenden supermassiven schwarzen Lochpaare in den Vordergrund rücken.

Mit zunehmender Empfindlichkeit von Pulsar-Timing-Arrays werden wir in der Lage sein, zu messen, wie sich die Amplitude des Gravitationswellenhintergrunds in Abhängigkeit von der Frequenz entwickelt. Dies könnte uns Hinweise darauf geben, was den Gravitationswellenhintergrund erzeugt. Während es weitgehend angenommen wird, dass supermassive schwarze Löcher diesen Hintergrund mit niedriger Frequenz erzeugen sollten, gibt es auch andere Quellen für Gravitationswellen mit niedriger Frequenz, wie zum Beispiel primordiale Gravitationswellen aus der Inflation, die quantenmechanischen Fluktuationen aus einer Sekunde nach dem Urknall und exotische Netzwerke von kosmischen Strings. Letztere sind theoretische, hochdichte Fäden von Materie-Energie, die die Größe des gesamten Universums haben können.

Die Erforschung dieses Hintergrunds wird uns tiefere Einblicke in offene Probleme der Astrophysik geben. Die Geheimnisse, die in den Daten der Pulsar-Timing-Arrays verborgen sind, könnten dazu beitragen, wichtige Fragen für Astronomen zu beantworten. Wir werden beispielsweise sagen können, was mit unserem supermassiven schwarzen Loch Sagittarius A* passieren wird, wenn unsere Galaxie mit dem benachbarten Andromeda kollidiert.

Wir werden auch sagen können, ob die Allgemeine Relativitätstheorie, wenn enorme Gravitationskräfte im Spiel sind, eine weitere Prüfung bestanden hat oder nicht. Tatsächlich sagen einige Theorien voraus, dass sich die Gravitation in sehr starken Gravitationsregimen, wie bei der Verschmelzung supermassiver schwarzer Löcher, anders verhält als von Einstein vorgeschlagen. Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie sollte sich die Umlaufbahn eines binären Systems supermassiver schwarzer Löcher auf eine spezifische Weise verengen, während Gravitationswellen emittiert werden. Abweichungen davon könnten auf neue Physik jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie hinweisen. Gravitationswellen, wie auch Licht, sind polarisiert. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt zwei Polarisationen (plus und kreuz) voraus, aber es könnten auch andere existieren, was erneut auf Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie oder völlig neue Physik hinweisen könnte.

Hoffentlich werden Astronomen noch zu unseren Lebzeiten Erkenntnisse über diese und weitere offene Fragen gewinnen können, die aufgrund einer Vielzahl von Prozessen im gesamten Universum entstehen. Auch wenn gerade einmal die ersten Sonden unser Sonnensystem verlassen, können neue Teleskope deutlich weiter in die "Vergangenheit" sehen.

Quelle: A Supermassive Test for Einstein’s Famous Theory