Ein neuer Zugang zum Universum

Präzise wie ein Uhrwerk: Pulsare öffnen ein neues Fenster im Gravitationswellen-Spektrum

Ein internationales Team europäischer Astronom:innen unter Beteiligung der Max-Planck-Institute für Radioastronomie (MPIfR) und Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) hat zusammen mit indischen und japanischen Kolleg:innen die Ergebnisse von mehr als 25 Jahren Beobachtungen mit sechs der empfindlichsten Radioteleskope der Welt veröffentlicht. Zusammen mit anderen internationalen Kollaborationen haben das europäische und das indische Pulsar-Timing-Array unabhängig voneinander Beweise für Gravitationswellen bei extrem niedrigen Frequenzen im Nanohertz-Bereich gefunden, die von Paaren extrem massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren verschmelzender Galaxien stammen könnten. Diese Ergebnisse sind ein entscheidender Meilenstein zur Erschließung eines neuen, astrophysikalisch bedeutenden Bereichs des Gravitationswellen-Spektrums.

In einer Reihe von Artikeln, die diese Woche in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ veröffentlicht wurden, berichten Wissenschaftler:innen des europäischen Pulsar-Timing-Array (EPTA) in Zusammenarbeit mit indischen und japanischen Kolleg:innen des indischen Pulsar-Timing-Array (InPTA) über die Ergebnisse von Messungen, die über einen Zeitraum von 25 Jahren durchgeführt wurden. Die Daten lassen auf neue Erkenntnisse in Bezug auf die Entstehung und Entwicklung unseres Universums und seiner Galaxien hoffen.

EPTA ist ein Zusammenschluss von Forschenden aus mehr als zehn Institutionen in ganz Europa und bringt Astronom:innen und theoretische Physiker:innen zusammen, welche die Beobachtungen der extrem regelmäßigen Pulse von einer besonderen Art erloschener Sternen, den so genannten Pulsaren, nutzen, um einen Gravitationswellen-Detektor von der Größe einer Galaxie zu aufzuspannen.

Ein gigantischer Gravitationswellen-Detektor

„Pulsare sind hervorragende natürliche Uhren. Wir nutzen die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Signale, um nach winzigen Veränderungen in ihrem Ticken zu suchen und so die minimalen Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit durch Gravitationswellen aus dem fernen Universum nachzuweisen“, erklärt Dr. David Champion, leitender Wissenschaftler am MPIfR in Bonn.

Dieser riesige Gravitationswellen-Detektor, der sich von der Erde bis zu 25 ausgewählten Pulsaren in der gesamten Galaxis erstreckt, ermöglicht die Untersuchung von Gravitationswellen-Frequenzen, die weit unter denen in anderen Experimenten gemessenen liegen. Die Beobachtungen werfen Licht auf das Gravitationswellen-Universum im Nanohertz-Bereich und enthüllen einzigartige Quellen und neue Phänomene.

„Im Zentrum von Galaxien lauern supermassereiche Schwarze Löcher, die mehrere Millionen Mal schwerer sind als die Sonne. Wenn die Pulse der Pulsare zur Erde gelangen, werden sie von den schwachen, weit entfernten Echos der Gravitationswellen geprägt, die von diesen monströsen Schwarzen Löchern ausgesendet werden“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy, Forscher am MPIfR. Diese Echos enthalten Informationen über die kosmische Population supermassereicher binärer Schwarzer Löcher, die sich bei der Verschmelzung von Galaxien bilden und ein neues Fenster ins Universum eröffnen.

Ein einzigartiger Datensatz durch koordinierte Zusammenarbeit

Diese Ergebnisse basieren auf jahrzehntelangen koordinierten Beobachtungskampagnen mit den fünf größten Radioteleskopen in Europa: dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland, dem Lovell-Teleskop in Großbritannien, dem Nançay-Radioteleskop in Frankreich, dem Sardinia-Radioteleskop in Italien und dem Westerbork-Radiosyntheseteleskop in den Niederlanden.

Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, betont: „Die Daten des Effelsberger Teleskops erstrecken sich über mehr als 25 Jahre. Das ist wichtig, denn es macht das EPTA einzigartig empfindlich für die niedrigsten untersuchten Frequenzen.“

„Einmal im Monat“, fügt Dr. Kuo Liu vom MPIfR in Bonn hinzu, „nehmen die europäischen Teleskope als Large European Array for Pulsars (LEAP) außerdem gemeinsam Daten auf, um eine zusätzliche Empfindlichkeit zu erreichen, die mit der des größten Radioteleskops der Erde vergleichbar ist.“ Diese Beobachtungen wurden auch durch Daten des InPTA in Indien ergänzt, was zur Entwicklung eines einzigartigen empfindlichen Datensatzes geführt hat.

Dr. Yajun Gou, Forscherin am MPIfR, erklärt die Bedeutung: „Unsere Teleskope haben die Pulsare sehr oft und über einen sehr langen Zeitraum hinweg beobachtet. Wir können Frequenzen der Gravitationswellen aufspüren, die so langsam sind wie eine Schwingung alle 30 Jahre, was die Empfindlichkeit gegenüber Doppelsternsystemen mit Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von bis zu 50 Jahren verbessert.“ Im Gegensatz dazu ermöglicht die hohe zeitliche Dichte der Daten die Untersuchung von Frequenzen, die bis zu 100 Schwingungen pro Monat betragen. Doktorand Jiwoon Jang übersetzt: „Wir können Doppelsysteme von Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von wenigen Jahren bis zu Monaten herunter untersuchen.“

Die Bekanntgabe der EPTA-Ergebnisse erfolgt in Abstimmung mit ähnlichen Veröffentlichungen anderer Kollaborationen weltweit, nämlich der australischen, der chinesischen und der nordamerikanischen Pulsar-Timing-Array (PTA)-Kollaborationen, abgekürzt PPTA, CPTA bzw. NANOGrav. Die Astronomen sind sich sicher, dass es sich bei dem, was sie sehen, um Signaturen von Gravitationswellen handelt, da ihre Ergebnisse mit ähnlichen Daten und Ergebnissen in allen PTA-Kollaborationen übereinstimmen und von diesen unterstützt werden.

„Die Analyse der Daten von Pulsar-Timing-Arrays wird dadurch erschwert, dass PTAs astrophysikalische Objekte als Detektoren verwenden“, erläutert Dr. Jonathan Gair, Gruppenleiter in der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam und Mitautor der Veröffentlichung. „Es gibt viele verschiedene Rauschquellen, die die Pulsare selbst mitbringen und die bei der Suche nach der Signatur der Gravitationswellen berücksichtigt werden müssen. Das Signal selbst ist darüber hinaus zufällig, so dass es wie Rauschen aussieht.“

Die heute vorgestellte Analyse der EPTA-Daten entspricht den Erwartungen von Astrophysikern. Der Goldstandard in der Physik für die Entdeckung eines neuen Phänomens ist jedoch, dass das Ergebnis des Experiments mit einer Wahrscheinlichkeit von weniger als einem Mal in einer Million zufällig auftritt. Das von EPTA - wie auch von den anderen internationalen Kollaborationen - berichtete Ergebnis erfüllt dieses Kriterium noch nicht.

Forschende der meisten führenden PTAs führen jedoch ihre Datensätze unter der Schirmherrschaft des International Pulsar-Timing-Array zusammen. Ziel ist es, die aktuellen Datensätze zu erweitern, indem ein Netzwerk von über 100 Pulsaren genutzt wird, die mit dreizehn Radioteleskopen beobachtet wurden, und mehr als 1000 Beobachtungen für jeden Pulsar bündeln. Diese Daten sollten es den Forschenden ermöglichen, einen unwiderlegbaren Beweis für das Vorhandensein eines Gravitationswellen-Hintergrunds bei Nanohertz-Frequenzen zu erbringen.

 

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Weitere Informationen:

Pulsare

Pulsare sind die Überreste massereicher Sternexplosionen, bei denen der Kern als Neutronenstern überlebt hat. Es sind sehr kompakte Objekte von 1,5 Sonnenmassen innerhalb eines Radius von 13 km. Die schnellsten Pulsare rotieren mit einer Geschwindigkeit von 700 Umdrehungen pro Sekunde und senden von ihren Magnetpolen einen Strahl aus. Aus der Sicht eines Beobachters verhalten sie sich damit wie kosmische Leuchttürme. Radioteleskope nehmen sie als eine Reihe von Impulsen oder „Ticks“ wahr, die in sehr regelmäßigen Abständen eintreffen und ein natürliches und präzises uhrähnliches Signal darstellen. Es wird erwartet, dass ein solches Uhrensignal durch niederfrequente Gravitationswellen gestört wird.

Pulsar-Timing-Array (PTA)

Ein Pulsar-Timing-Array ist ein Netzwerk von Pulsaren, die mit einem oder idealerweise mehreren Radioteleskopen beobachtet werden, um nach Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich (d. h. mit Wellenlängen in der Größenordnung von mehreren Lichtjahren) zu suchen und diese zu entdecken. Das PTA besteht aus einem Ensemble von Millisekunden-Pulsaren, die in verschiedenen Richtungen von der Erde aus beobachtet werden. Aufgrund der Präzision ihrer Pulsperioden und ihrer Verteilung am Himmel stellen sie einen Gravitationswellendetektor dar, der große Entfernungen in der Galaxis abdeckt. Die Analyse der Pulsankunftszeiten bei den beobachteten Pulsaren erlaubt nach Korrektur einer ganzen Reihe von Effekten den Rückschluss auf Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich.

Die Verwendung dieser Pulsare als galaktischer Gravitationswellendetektor wurde von M. Sazhin (1978, Astronomisches Institut Sternberg, Moskau) und S. Detweiler (1979, Universität Yale) vorgeschlagen. Sazhin schlug vor, dass ultralange Gravitationswellen durch ihre Störung bei der Ausbreitung elektromagnetischer Pulse nachgewiesen werden könnten. Detweiler zeigte, dass man anhand von Pulsardaten eine Obergrenze der dimensionslosen Amplitude von 10^-11 für die Energiedichte eines stochastischen Gravitationswellenhintergrunds mit Perioden von 1 Jahr festlegen kann.

Einige Jahre später führten Hellings und Downs (1983, Jet Propulsion Laboratory) zum ersten Mal das Konzept des Pulsar-Timing-Array ein und zeigten, dass man, wenn man in der Lage ist, ein Netzwerk solcher stabilen Pulsare mit hoher Präzision zu „timen“, die Hintergrundemission einer Population kompakter binärer Quellen messen und insbesondere die quadrupolare Natur des Gravitationswellensignals aus der Winkelkorrelation zwischen Pulsarpaaren ableiten kann, d. h. aus der Art und Weise, wie die Pulsare je nach ihrer relativen Position am Himmel beeinflusst werden. Dies ist das Prinzip des Nachweises ultraniedriger Gravitationswellen mit dem, was wir heute ein Pulsar-Timing-Array (PTA) nennen.

Als die Technologie begann, solch präzise Messungen zu ermöglichen, die typischerweise eine Datierung der Pulsationsankunftszeit (die „Ticks“) besser als im Mikrosekundenbereich erreichen, begannen mehrere Gruppen in der Welt, die schnellst-rotierenden und stabilsten bekannten Millisekunden-Pulsare zu beobachten.

Das Europäische Pulsar-Timing-Array (EPTA)

Europa hat bei diesem Forschungsprogramm Pionierarbeit geleistet. Als Erbe des bereits bestehenden „European Pulsar Network“ (EPN) und der „PULSE: European Pulsar Research“-Zusammenarbeit, die 2005 mit dem Descartes-Preis der Europäischen Kommission ausgezeichnet wurde, wurde 2006 offiziell das Europäische Pulsar-Timing-Array (EPTA) ins Leben gerufen, das die "Pulsar"-Teams an den größten Radioteleskopen des Kontinents vereint: das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg (Deutschland), das Westerbork-Synthesis-Radioteleskop (Niederlande), das Lovell-Radioteleskop am Jodrell-Bank-Observatorium (Großbritannien), das Sardinia-Radioteleskop (Italien) und das Nançay-Radioteleskop (Frankreich). An jedem dieser Orte hatten die lokalen Gruppen hochmoderne Instrumente und Datenpipelines entwickelt, die in der Lage waren, Pulsare korrekt zu messen und ein genaues Timing durchzuführen. In den folgenden Jahren kamen weitere Gruppen hinzu, die ebenfalls ihr theoretisches Fachwissen und ihre Fähigkeiten bei der Analyse von Gravitationswellendaten einbrachten: die Universitäten in Birmingham, Cambridge und Mailand sowie das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und das Observatorium in Paris.

Das EPTA hat seine Möglichkeiten im Jahr 2008 dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP) erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammengefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um eine Schüssel mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. In 25 Jahren Beobachtungszeit haben diese Instrumente etwa 60.000 Messungen für die 25 stabilsten Millisekundenpulsare gesammelt, die eine effektive Kadenz von einigen Tagen ermöglichen und für die meisten von ihnen eine Zeitgenauigkeit von mehr als einer Mikrosekunde erreichen

Diese Zahlen definieren die Empfindlichkeit und den Frequenzbereich des Netzwerks: einige  10^-16  in der Gravitationsenergiedichte im Durchschnitt über den Himmel, zwischen 1,3 nHz und 5,8 μHz in der Frequenz, wobei die lokale Empfindlichkeit in einer Region der Himmelskugel von der tatsächlichen Verteilung und Stabilität der Pulsare im Netzwerk abhängt.

Large European Array for Pulsars (LEAP)

Dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP-Projekt unter der Leitung von Prof. Michael Kramer) hat das EPTA seine Kapazitäten 2008 erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammenzugefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. Im Gegensatz zu radioastronomischen Interferometern (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) kommt es hier nicht auf die Entfernung zwischen den einzelnen Teleskopen an, sondern auf deren kumulative Sammelfläche zum Nachweis der schwachen Radiostrahlung von Pulsaren. LEAP stellt für die EPTA-Teleskope außerdem eine neue Generation von Datenerfassungsgeräten zur Verfügung, die als Grundlage für die Veröffentlichung maßgeblich zur Anwendung gekommen sind.

Indisches Pulsar-Timing-Array (InPTA)

Das indische Pulsar-Timing-Array (InPTA) nutzt das Giant-Metrewave-Radioteleskop (GMRT) bei Pune als Schlüsselinstrument für die indischen Beobachtungen. Diese InPTA-Beobachtungen erweitern den Bereich der Radiofrequenzen auf viel niedrigere Frequenzen als die, die normalerweise vom EPTA verwendet werden. Durch die Kombination der Datensätze sind EPTA und InPTA in der Lage, das durch das interstellare Medium verursachte Zeitrauschen erfolgreich abzuschwächen.

Am InPTA-Experiment sind Forschende des NCRA (Pune), des TIFR (Mumbai), des IIT (Roorkee), des IISER (Bhopal), des IIT (Hyderabad), des IMSc (Chennai) und des RRI (Bengaluru) zusammen mit solchen von der Universität Kumamoto (Japan) beteiligt.

NanoGRAV

Das „North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves“ umfasst Millisekunden-Beobachtungen von Pulsaren mit den Radioteleskopen Green Bank und Arecibo (das 300-m-Teleskop von Arecibo ist seit 2020 nicht mehr in Betrieb) sowie mit dem VLA und dem CHIME-Radioteleskop in Kanada.

Parkes Pulsar-Timing-Array (PPTA)

Das Parkes Pulsar-Timing-Array (PPTA) war die erste offizielle Kollaboration, die sich der Suche nach Gravitationswellensignalen im Nano-Hertz-Bereich widmete. Es nutzt seit 2005 Beobachtungen mit dem 64-m-Radioteleskop bei Parkes in New South Wales.

Chinesisches Pulsar-Timing-Array (CPTA)

Das chinesische Pulsar-Timing-Array (CPTA) ist das jüngste Mitglied der PTA-Kollaborationsfamilie. Das CPTA kann die Beobachtungen des neuen FAST-Teleskops nutzen, das 2020 seinen vollen Betrieb aufgenommen hat.

Internationales Pulsar-Timing-Array (IPTA)

Das IPTA entstand 2009 aus der Zusammenarbeit der drei damals bestehenden Konsortien: EPTA in Europa, NANOGrav in Nordamerika und PPTA in Australien. Kürzlich kam die indische Kooperation InPTA hinzu. Zwei kombinierte Datensätze wurden in den Jahren 2016 und 2019 veröffentlicht. Sie dienten in erster Linie dazu, frühere, von den einzelnen Gruppen individuell ermittelte Nachweisgrenzen zu bestätigen, instrumentelle Systematiken zu verfolgen und wissenschaftliche Ergebnisse für die Planetenephemeriden des Sonnensystems und die Definition einer unabhängigen Pulsarzeitstandardreferenz zu erzielen. Das IPTA arbeitet jetzt in vollem Umfang zusammen, um neueste Daten zu kombinieren und gemeinsam zu analysieren.

Die Verwirklichung eines PTA

Es gibt eine Reihe von Vordergrundquellen von Signalen, die charakterisiert und korrekt modelliert werden müssen, damit sie bei der Analyse von Gravitationswellensignal unterschieden werden können. Diese Signale sind von unterschiedlicher Natur. Ihr Ursprung kann instrumentell (z. B. Referenzuhr, Instabilität der Empfängersysteme, Kalibrierungsunsicherheiten), astrophysikalisch (z. B. im Zusammenhang mit der Instabilität der Radioemission in der Pulsarmagnetosphäre oder mit Schwankungen der Sternrotation) oder durch den Weg des Radiosignals durch das interstellare Medium (mit Dispersionsverzögerungen und Streuung) bedingt sein. Einige dieser Störungen können in der Tat die Gravitationsemissionssignatur teilweise nachahmen und/oder verbergen, und erfordern vor jeder weiteren Analyse genaue Charakterisierungen und Modellierungen.

Schließlich spielen die planetarischen Ephemeriden des Sonnensystems (SSE), die die Position der Planeten um die Sonne in Abhängigkeit von der Zeit beschreiben, eine entscheidende Rolle. Das EPTA verwendet den Schwerpunkt des Sonnensystems (SSB) als gemeinsamen Bezugsrahmen, auf den die Radiobeobachtungen (Zeit der Pulsankünfte) aller Radioteleskope reduziert werden. Jede Ungenauigkeit in den relativen Positionen, Geschwindigkeiten oder Massen der Planeten kann zu nicht berücksichtigten Verzögerungen führen und sich auf die Zeitmessungen aller Pulsare des Netzwerks auswirken, wodurch eine falsche räumliche Korrelation entsteht, die die Geometrie einer Gravitationswellen-Hintergrundstrahlung heimtückisch nachahmt. Um dies zu vermeiden, werden die Ergebnisse verschiedener SSE-Lösungen, z. B. die des Jet Propulsion Laboratory (Folkner & Park 2018) oder des Pariser Observatoriums (INPOP - Fienga et al 2019), sorgfältig miteinander verglichen.

Gravitationswellen

Gravitationswellen sind Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie wurden bereits 1915 von Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, Im Jahre 1978 konnten diese erstmals durch den Energieverlust eines nahen Paares von Neutronensternen nachgewiesen und 2015 direkt mit dem bodengestützten Laserinterferometer LIGO gemessen werden.

Die europäische Gemeinschaft bereitet mit der „Laser Interferometer Space Antenna“ (LISA) eine neue Weltraummission vor, die nach ihrem Start im Jahr 2035 das Gravitationswellenspektrum bei niedrigen Frequenzen (mHz) untersuchen und die Population kompakter binärer Weißer Zwerge und Neutronensterne in unserer Galaxie, die sich gegenseitig umkreisen, sowie die Verschmelzung massereicher (etwa eine Million Sonnenmassen) Schwarzer Löcher im Universum untersuchen soll. LISA verwendet dasselbe Konzept wie die bodengestützten Laserinterferometer, allerdings mit einer Konstellation von drei Satelliten, die im Abstand von 2,5 Millionen km um die Sonne kreisen und das Laserlicht austauschen. Die Frequenzen von Gravitationswellen, die mit PTAs gesehen werden, sind damit nochmals niedriger als die von LISA.

MPIfR-Koautoren

J. Antoniadis, A.-S. Bak Nielsen, D. J. Champion, G. Desvignes, E. Graikou, Y. J. Guo, H. Hu, J. Jang, J. Jawor, A. Jessner, R. Karuppusamy, M. Kramer, K. Lackeos, K. J. Lee, K. Liu, R. A. Main, A. Parthasarathy, V. Venkatraman Krishnan und J. P. W. Verbiest.