Valerie Domcke vom CERN und Camilo Garcia-Cely vom DESY berichten über eine neue Technik zur Suche nach Gravitationswellen – den Krümmungen im Raumzeitgefüge, die von den LIGO- und Virgo Collaborations erstmals im Jahr 2015 registriert wurden und die Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne den Physik-Nobelpreis 2017 einbrachten. Die Studie wurde am 14. Januar 2021 in den Physical Review Letters veröffentlicht.
Domcke und Garcia-Celys Technik basiert auf der Umwandlung hochfrequenter Gravitationswellen (im Mega- und Gigahertzbereich) in Radiowellen. Diese Umwandlung findet unter Einwirkung magnetischer Felder statt und verzerrt die Strahlung aus dem jungen Universum, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannt ist.
Die Forscher zeigen, dass diese Verzerrung, abgeleitet von Daten, die mit Radioteleskopen über den kosmischen Mikrowellenhintergrund gesammelt wurden, für die Suche nach hochfrequenten Gravitationswellen genutzt werden kann. Solche hochfrequenten Gravitationswellen entstammen kosmischen Quellen aus dem Dunklen Zeitalter oder sogar noch früher in unserer kosmischen Geschichte. Das Dunkle Zeitalter liegt in der Periode zwischen der Zeit, als die Wasserstoffatome entstanden, und dem Moment, als die ersten Sterne das Universum erhellten.
“Die Chancen, dass sich diese hochfrequenten Gravitationswellen in Radiowellen umwandeln, sind winzig, aber wir gleichen diese Chancen aus, indem wir einen gigantischen Detektor nutzen – das Universum”, erklärte Domcke. “Der kosmische Mikrowellenhintergrund liefert eine obere Grenze für die Amplitude der hochfrequenten Gravitationswellen, die sich in Radiowellen umwandeln. Diese hochfrequenten Wellen liegen jenseits der Reichweite der Laserinterferometer LIGO, Virgo und KAGRA.”
Domcke und Garcia-Cely leiteten zwei solcher oberen Grenzen ab, indem sie Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds von zwei Radioteleskopen verwendeten: Das ballonbasierte Instrument ARCADE 2 und das EDGES-Teleskop am Murchison Radio-Astronomy Observatory in Western Australia. Die Forscher stellten fest, dass die EDGES-Messungen bei den schwächsten möglichen kosmischen Magnetfeldern (abgeleitet aus aktuellen astronomischen Daten) in einer Maximalamplitude von 10-21 für eine Gravitationswelle von 78 Megahertz resultieren. Die ARCADE2-Messungen ergaben dagegen eine Maximalamplitude von 10-14 bei einer Frequenz von 3-30 Gigahertz.
Für die stärksten möglichen kosmischen Magnetfelder sind diese Grenzen enger: 10-21 (EDGES) und 10-24 (ARCADE 2). Sie sind etwa sieben Größenordnungen enger als die aktuellen Grenzen, die aus Laborexperimenten abgeleitet wurden.
Domcke und Garcia-Cely sagen, dass Daten von Radioteleskopen der nächsten Generation, beispielsweise vom Square Kilometre Array, und eine verbesserte Datenanalyse diese Grenzen noch weiter einengen sollten und vielleicht sogar Gravitationswellen aus dem Dunklen Zeitalter und früheren kosmischen Zeiten registrieren könnten.
(THK)
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