Gravitationswellen-Hintergrund (GWB): Ein Durchbruch bei der direkten Detektion

Gravitationswelle wurde 2015 zum ersten Mal direkt nachgewiesen, nachdem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1916 ein Jahrhundert lang vorhergesagt hatte. Aber die kontinuierliche, niedrige Frequenz Gravitation-Wellen-Hintergrund (GWB), von dem angenommen wird, dass er überall vorhanden ist Universum wurde bislang nicht direkt nachgewiesen. Die Forscher am North American Nanohertz Observatory für Gravitationswellen (NANOGrav) haben kürzlich die Entdeckung eines niederfrequenten Signals gemeldet, bei dem es sich um einen „Gravitationswellenhintergrund (GWB)“ handeln könnte.   

Die 1916 von Einstein aufgestellte Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass kosmische Großereignisse wie Supernova oder Verschmelzung von Schwarze Löcher sollte produzieren Gravitationswellen die sich durch die ausbreiten Universum. Die Erde sollte überschwemmt sein Gravitationswellen Sie kommen ständig aus allen Richtungen, bleiben aber unentdeckt, da sie extrem schwach werden, wenn sie die Erde erreichen. Es dauerte etwa ein Jahrhundert, bis die Gravitationswellen direkt nachgewiesen werden konnten, als dem LIGO-Virgo-Team im Jahr 2015 die Entdeckung gelang Gravitationswellen entstanden durch Fusion zweier Unternehmen Schwarze Löcher liegt in einer Entfernung von 1.3 Milliarden Lichtjahren von der Erde ⁽¹⁾. Dies bedeutete auch, dass die entdeckten Wellen Informationsträger über das kosmische Ereignis waren, das vor etwa 1.3 Milliarden Jahren stattfand.  

Seit der ersten Entdeckung im Jahr 2015 sind eine ganze Reihe von Gravitationswellen wurden bis heute aufgezeichnet. Die meisten davon waren auf die Fusion zweier Unternehmen zurückzuführen Schwarze Löcher, nur wenige davon waren auf die Kollision zweier Neutronensterne zurückzuführen ⁽²⁾. Alles erkannt Gravitationswellen Bisher waren sie episodisch und wurden durch binäre Paare verursacht Schwarze Löcher oder Neutronensterne, die sich spiralförmig drehen und miteinander verschmelzen oder kollidieren ⁽³⁾ und waren von hoher Frequenz, kurzer Wellenlänge (im Millisekundenbereich).   

Da jedoch die Möglichkeit einer großen Anzahl von Quellen besteht Gravitationswellen der Universum daher viele Gravitationswellen zusammen aus der ganzen Welt Universum kann ständig durch die Erde strömen und einen Hintergrund oder Lärm bilden. Dies sollte eine kontinuierliche, zufällige und niederfrequente Kleinwelle sein. Es wird geschätzt, dass ein Teil davon möglicherweise sogar aus dem Urknall stammt. Angerufen Gravitation-wave Background (GWB), dies wurde bisher nicht erkannt ⁽³⁾.  

Doch möglicherweise stehen wir kurz vor einem Durchbruch – so die Forscher des nordamerikanischen Nanohertz-Observatoriums Gravitationswellen (NANOGrav) haben die Entdeckung eines niederfrequenten Signals gemeldet, bei dem es sich um einen Gravitationswellenhintergrund (GWB) handeln könnte. ^(4,5,6).  

Im Gegensatz zum LIGO-Virgo-Team, das es erkannt hat Gravitationswelle aus einzelnen Paaren von Schwarze LöcherDas NANOGrav-Team hat nach anhaltenden, geräuschähnlichen „kombinierten“ Gravitationswelle über einen sehr langen Zeitraum von unzähligen erstellt Schwarze Löcher der Universum. Der Fokus lag auf „sehr langer Wellenlänge“ Gravitationswelle am anderen Ende des „Gravitationswellenspektrums“.

Im Gegensatz zu Licht und anderen elektromagnetischen Strahlungen können die Gravitationswellen nicht direkt mit einem Teleskop beobachtet werden.  

Das NANOGrav-Team hat sich entschieden Millisekunde Pulsare (MSPs), die sehr schnell und langzeitstabil rotieren. Von diesen Pulsern kommt ein stetiges Lichtmuster, das durch die Gravitationswelle verändert werden sollte. Die Idee bestand darin, ein Ensemble ultrastabiler Millisekundenpulsare (MSP) auf korrelierte Änderungen im Zeitpunkt des Eintreffens der Signale auf der Erde zu beobachten und zu überwachen und so ein „Galaxis„Großer“ Gravitationswellendetektor in unserem eigenen Galaxis. Das Team erstellte ein Pulsar-Timing-Array, indem es 47 solcher Pulsare untersuchte. Das Arecibo-Observatorium und das Green Bank Telescope waren die Radio Für die Messungen verwendete Teleskope.   

Der bisher erhaltene Datensatz umfasst 47 MSPs und über 12.5 Jahre Beobachtungen. Auf dieser Grundlage ist es nicht möglich, den direkten Nachweis von GWB schlüssig zu beweisen, obwohl die nachgewiesenen niederfrequenten Signale sehr darauf hinweisen. Der nächste Schritt wäre vielleicht, mehr Pulsare in das Array aufzunehmen und sie über einen längeren Zeitraum zu untersuchen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.  

Zum Studium der Universum, waren Wissenschaftler ausschließlich auf elektromagnetische Strahlung wie Licht, Röntgenstrahlung, Radio Welle usw. Da die Entdeckung der Gravitation im Jahr 2015 völlig unabhängig von elektromagnetischer Strahlung ist, eröffnete sie Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit, Himmelskörper zu untersuchen und zu verstehen Universum insbesondere jene Himmelsereignisse, die für elektromagnetische Astronomen unsichtbar sind. Darüber hinaus interagieren Gravitationswellen im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung nicht mit Materie und breiten sich daher praktisch ungehindert aus und übermitteln Informationen über ihren Ursprung und ihre Quelle ohne jegliche Verzerrung.⁽³⁾

Die Erkennung des Gravitationswellenhintergrunds (GWB) würde die Möglichkeiten noch erweitern. Es könnte sogar möglich sein, die vom Urknall erzeugten Wellen zu erkennen, was uns helfen könnte, den Ursprung des Urknalls zu verstehen Universum auf eine bessere Weise.

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References:  

1. Castelvecchi D. und Witze A.,2016. Einsteins Gravitationswellen endlich gefunden. Nature News 11. Februar 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Was 50 Gravitationswellen-Ereignisse über das Universum verraten. Nature News Veröffentlicht 30. Oktober 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Quellen und Arten von Gravitationswellen. Online erhältlich unter https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Zugriff am 12. Januar 2021. 

4. NANOGrav-Kollaboration, 2021. NANOGrav findet mögliche „erste Hinweise“ auf den Hintergrund von niederfrequenten Gravitationswellen. Online erhältlich unter http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Zugegriffen am 12. Januar 2021 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Pressebriefing – Searching for the Gravitational-Wave Background in 12.5 years of NANOGrav Data. 11. Januar 2021. Online verfügbar unter http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al. 2020. Der NANOGrav 12.5 yr Datensatz: Suche nach einem isotropen stochastischen Gravitationswellenhintergrund. The Astrophysical Journal Letters, Band 905, Nummer 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

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