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

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

Gravitationswellen wurden zum ersten Mal im Jahr 2015 direkt nach einem Jahrhundert ihrer Vorhersage durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1916 direkt nachgewiesen wurde bisher nicht direkt erkannt. Die Forscher des North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) haben kürzlich über die Entdeckung eines niederfrequenten Signals berichtet, das "Gravitationswellen-Hintergrund (GWB)" sein könnte.   

Die 1916 von Einstein aufgestellte Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass kosmische Großereignisse wie Supernova oder Verschmelzung von Schwarze Löcher Gravitationswellen erzeugen, die sich durch das Universum ausbreiten. Die Erde sollte ständig von Gravitationswellen aus allen Richtungen überflutet werden, aber diese werden unentdeckt, weil sie extrem schwach werden, wenn sie die Erde erreichen. Es dauerte ungefähr ein Jahrhundert, um eine direkte Detektion von Gravitationswellen durchzuführen, als das LIGO-Virgo-Team im Jahr 2015 erfolgreich Gravitationswellen entdeckte, die durch die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern entstanden, die sich in einer Entfernung von 1.3 Milliarden Lichtjahren von der Erde befinden (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 von ihnen waren auf die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher zurückzuführen, wenige auf die Kollision zweier Neutronensterne (2). Alle bisher entdeckten Gravitationswellen waren episodisch, verursacht durch ein binäres Paar schwarzer Löcher oder Neutronensterne, die sich spiralförmig drehten und miteinander verschmelzen oder kollidierten (3) und waren von hoher Frequenz, kurzer Wellenlänge (im Millisekundenbereich).   

Da es jedoch die Möglichkeit einer großen Anzahl von Gravitationswellenquellen im Universum gibt, können viele Gravitationswellen aus dem gesamten Universum die ganze Zeit kontinuierlich durch die Erde hindurchgehen und einen Hintergrund oder ein Rauschen bilden. Dies sollte kontinuierlich, zufällig und von niederfrequenter kleiner Welle sein. Es wird geschätzt, dass ein Teil davon sogar aus dem Urknall stammt. Genannt Gravitationswellen-Hintergrund (GWB), dies wurde bisher nicht entdeckt (3).  

Aber wir könnten kurz vor einem Durchbruch stehen – die Forscher des North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) haben die Entdeckung eines niederfrequenten Signals berichtet, das „Gravitational-wave Background“ (GWB) sein könnte. (4,5,6).  

Im Gegensatz zum LIGO-Virgo-Team, das Gravitationswellen einzelner Paare von Schwarzen Löchern entdeckte, hat das NANOGrav-Team nach anhaltenden, rauschartigen, "kombinierten" Gravitationswellen gesucht, die über einen sehr langen Zeitraum von unzähligen Schwarzen Löchern im Universum erzeugt wurden. Der Fokus lag auf „sehr langwelligen“ Gravitationswellen 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 war, ein Ensemble ultrastabiler Millisekunden-Pulsare (MSP) auf korrelierte Änderungen im Zeitpunkt der Ankunft der Signale auf der Erde zu beobachten und zu überwachen, um so einen Gravitationswellendetektor in der Größe einer Galaxie in unserer eigenen Galaxie zu schaffen. Das Team erstellte ein Pulsar-Timing-Array, indem es 47 solcher Pulsare untersuchte. Als Radioteleskope dienten das Arecibo-Observatorium und das Green Bank Telescope.   

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.  

Um das Universum zu studieren, waren Wissenschaftler ausschließlich auf elektromagnetische Strahlungen wie Licht, Röntgenstrahlen, Radiowellen usw. angewiesen. Da sie völlig unabhängig von elektromagnetischer Strahlung waren, eröffnete die Detektion der Gravitation im Jahr 2015 Wissenschaftlern eine neue Gelegenheit, Himmelskörper zu studieren und die Universum, insbesondere jene Himmelsereignisse, die für elektromagnetische Astronomen unsichtbar sind. Darüber hinaus interagieren Gravitationswellen im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung nicht mit Materie und bewegen sich daher praktisch ungehindert und tragen Informationen über ihren Ursprung und ihre Quelle frei von jeglicher Verzerrung.(3)

Die Erkennung des Gravitationswellen-Hintergrunds (GWB) würde die Möglichkeiten weiter erweitern. Es könnte sogar möglich werden, die vom Urknall erzeugten Wellen zu erkennen, was uns helfen könnte, den Ursprung des Universums besser zu verstehen.

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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  
  1. 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  
  1. LIGO 2021. Quellen und Arten von Gravitationswellen. Online erhältlich unter https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Zugriff am 12. Januar 2021. 
  1. 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 
  1. 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  
  1. 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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Umesh Prasad
Umesh Prasadhttps://www.UmeshPrasad.org
Chefredakteur, Scientific European

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