Ein Physikerteam hat eine Methode zum Nachweis von Gravitationswellen mit so niedrigen Frequenzen entwickelt, dass sie die Geheimnisse hinter den frühen Phasen der Verschmelzung supermassiver schwarzer Löcher entschlüsseln könnten, den massereichsten Objekten im Universum.
Die Methode kann Gravitationswellen registrieren, die nur einmal alle tausend Jahre schwingen – das ist 100 Mal langsamer als alle bisher gemessenen Gravitationswellen.
“Dies sind Wellen, die uns aus den entferntesten Regionen des Universums erreichen und die Ausbreitung des Lichts beeinflussen können”, sagte Dr. Jeff Dror, ein Assistenzprofessor für Physik an der University of Florida und Mitautor der neuen Studie. “Die Untersuchung dieser Wellen aus dem jungen Universum wird uns dabei helfen, ein vollständiges Bild unserer kosmischen Geschichte zu zeichnen, ähnlich wie bei früheren Entdeckungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds”.
Dror und sein Mitautor, der Postdoktorand William DeRocco von der University of California in Santa Cruz, veröffentlichten ihre Ergebnisse am 26. Februar in den Physical Review Letters.
Gravitationswellen sind so etwas wie Störungen im Raum. Wie Schallwellen oder Meereswellen variieren Gravitationswellen sowohl in ihrer Frequenz als auch in ihrer Amplitude – Informationen, die Aufschluss über ihren Ursprung und ihr Alter geben. Gravitationswellen, die uns erreichen, können mit extrem niedrigen Frequenzen schwingen, die weit unter jenen von Schallwellen liegen, die mit dem menschlichen Ohr wahrgenommen werden können. Einige der niedrigsten Frequenzen, die in der Vergangenheit entdeckt wurden, lagen bei nur einem Nanohertz.
“Zum Vergleich: Die Frequenz der Schallwellen, die durch das Brüllen eines Alligators erzeugt werden, ist etwa 100 Milliarden Mal höher als diese Frequenz – es handelt sich also um sehr niederfrequente Wellen”, sagte Dror.
Ihre neue Nachweismethode basiert auf der Analyse von Pulsaren – das sind Neutronensterne, die in sehr regelmäßigen Abständen Radiowellen aussenden. Dror vermutete, dass die Suche nach einer allmählichen Verlangsamung des Eintreffens dieser Radiopulse neue Gravitationswellen aufdecken könnte. Durch die Untersuchung vorhandener Pulsardaten konnte Dror nach Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen als je zuvor suchen und unseren “Hörbereich” auf Frequenzen von bis zu zehn Pikohertz erweitern. Das ist um den Faktor 100 niedriger als frühere Versuche, bei denen Wellen im Nanohertzbereich entdeckt wurden.
Gravitationswellen mit Frequenzen um ein Nanohertz wurden zwar schon früher entdeckt, aber über ihren Ursprung ist nicht viel bekannt. Es gibt zwei Theorien. Die führende Theorie besagt, dass diese Wellen das Ergebnis einer Verschmelzung zweier supermassiver schwarzer Löcher sind. Sollte dies der Fall sein, hätten die Forscher eine neue Möglichkeit gefunden, um das Verhalten dieser riesigen Objekte zu untersuchen, die in den Zentren von Galaxien liegen.
Die andere Haupttheorie lautet, dass diese Wellen durch eine Art katastrophales Ereignis zu Beginn der Geschichte des Universums entstanden sind. Durch die Untersuchung von Gravitationswellen mit noch niedrigeren Frequenzen können sie diese Möglichkeiten möglicherweise voneinander abgrenzen.
“Der nächste Schritt besteht darin, neuere Datensätze zu analysieren”, sagte Dror. “Die von uns genutzten Datensätze, stammen hauptsächlich aus den Jahren 2014 und 2015, und seitdem wurde eine große Anzahl an Pulsarbeobachtungen durchgeführt.”
Dror plant außerdem, unter Verwendung des HiPerGator-Supercomputers der UF Simulationen mit Scheindaten durchzuführen, um die kosmische Geschichte weiter zu enträtseln. Der Supercomputer ist in der Lage, große, komplexe Simulationen effizient auszuführen, was die für die Datenanalyse notwendige Zeit deutlich verkürzt.
(THK)
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