Wie Gammastrahlen von fernen Pulsaren Wellen im Gewebe der Raumzeit zeigen

Unsere Galaxie, die Milchstraße, ist auf Kollisionskurs.

Aber halte nicht die Luft an.

In ungefähr 4,5 Milliarden Jahren werden die Milchstraße und ihr nächster galaktischer Nachbar, Andromeda, verschmelzen. Diese Galaxien haben – wie alle anderen – jeweils ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Wenn die Schwerkraft sie immer näher zusammenzieht, wird dieSchwarze Löcher werden mit ziemlicher Sicherheit beginnen, sich gegenseitig zu umkreisen.

Diese Objekte enthalten so viel Materie das Schwarze Loch der Milchstraße ist ungefähr vier Millionen Mal massereicher als die Sonne, dass ihr Tanz eine spiralförmige Welle durch das Gewebe der Raumzeit senden wird.

Kosmologen nennen diese Wellen „Gravitationswellen“. Sie können sehr, sehr lange durch das Universum rollen.

In einem Studieveröffentlicht am Donnerstag in der FachzeitschriftWissenschaft, ein Forscherteam berichtet, wie sie unsere Galaxie als gigantisches wissenschaftliches Instrument benutzten, um uralte Gravitationswellen zu entdecken, die durch das Universum rollten, seit die ersten Galaxien vor Milliarden und Abermilliarden Jahren zu verschmelzen begannen.

„Diese Wellen in der Raumzeit verschmelzen alle miteinander … und erzeugen letztendlich diesen extrem langwelligen Hintergrund von Gravitationswellen“, Kosmologe Aditya Parthasarathy, ein Co-Autor der neuen Studie, sagte IE.

Dies ist die erste Studie, die Gammastrahlen – elektromagnetische Strahlung in ihrer energiereichsten Form – verwendet, um Messungen des Gravitationswellenhintergrunds durchzuführen.

Unsere Galaxie ist voller toter Sterne, die die perfekte Zeit halten

Wenn es nach der Schwerkraft ginge, würde die schiere Masse eines Sterns ihn sofort zusammenbrechen lassen. Und genau das passiert mit Sternen einer bestimmten Masse, wenn sie anfangen, Atome zu erzeugen, die so schwer sind, dass ihre Verschmelzung nicht genug Energie erzeugtGegen den Patienten zurückzudrängen, vernichtender Druck der Schwerkraft Sobald sie die Oberhand gewinnt, schickt die eigene Schwerkraft des Sterns ihn in eine dramatisch heftige Kollaps-Explosion, die entweder ein kleines schwarzes Loch oder ein sehr dichtes Materiebündel namens a erzeugtNeutronenstern.

Neutronensterne drehen sich sehr schnell, und einige von ihnen schießen einen chaotischen Strahl aus Strahlung, der alles von niederenergetischen Radiowellen bis zu hochenergetischen Gammastrahlen-Photonen umfasst.

Hier ist der Grund, warum das für die Untersuchung von Milliarden Jahre alten Gravitationswellen wichtig ist: Der Strahl muss nicht entlang der Rotationsachse des Neutronensterns zeigen. Meistens fegt er wie das sich drehende Licht über den Himmelein altmodisches Feuerwehrauto. Das bedeutet, dass erdgebundene Astronomen, die aus großer Entfernung beobachten, das Licht nur „sehen" können, wenn es mehr oder weniger direkt auf die Erde gerichtet ist. Aus dieser Perspektive sieht das Objekt wie ein schneller Lichtpuls aus, derdeshalb wird diese Art von Neutronenstern Pulsar genannt.

„Man kann sich einen Pulsar wie einen Leuchtturm in der Galaxie vorstellen“, sagt Parthasarathy.

„Bestimmte Arten von Pulsaren, sogenannte Millisekundenpulsare, rotieren sehr, sehr schnell und sehr, sehr genau“, sagt Parthasarathy. „Wir können anhand eines sehr einfachen Modells der Pulsarrotation genau wissen, wann der Puls zu erwarten ist.“

Diese schnellen Lichtblitze sind eine unschätzbare Informationsquelle für Kosmologen, besonders wenn sie Hunderte Male pro Sekunde aufblitzen. Forscher haben mehr als 400 dieser Millisekunden-Pulsare verstreut über die Milchstraße gefunden. Etwa ein Drittel von ihnen emittiert dieGammastrahlen, die Parthasarathy und seinen Forscherkollegen nützlich waren

„Die meisten dieser 130 [Pulsare] sind nicht hell genug, um diese Art von Analyse durchzuführen, also kommen wir auf 30 herunter“, Astrophysiker Matthäus Kerr, ein weiterer Co-Autor, erzählt IE.

Seit fast 14 Jahren umkreist das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop die Erde in einer Höhe von etwa hundert Meilen höher als die Internationale Raumstation und sammelt leise Beweise für Gammastrahlen für Forscher auf der ganzen Welt.

„Wenn der Gammastrahl in unseren Detektor eindringt, fokussieren wir ihn nicht oder so etwas. Er trifft irgendwo auf einen Atomkern und explodiert im Grunde“, sagt Kerr. „Es erzeugt eigentlich nur einen Teilchenschauer in unserem Detektor,und wir stellen die ursprüngliche Richtung des Partikels wieder her.“

„Vor ein paar Jahren wurde uns klar, dass wir, wenn wir mit unseren Gammastrahlendaten nach diesen Gravitationswellen suchen würden, tatsächlich in der gleichen Größenordnung wären wie [das Netzwerk von Radioteleskopen auf der Erde, die Pulsare überwachendurch die Erkennung niederfrequenter Radiowellen]. Das war für uns eine Art Überraschung, weil wir vorher nicht wirklich darüber nachgedacht hatten“, sagt er.

Nachrichten von Kollisionen mit Schwarzen Löchern verbreiten sich weit

Es ist Zeit herauszuzoomen. Weit raus. Nahezu alle Pulsare, die jemals entdeckt wurden – und absolut alle, die als Himmelsfeuer für Astronomen dienen – befinden sich in unserer Galaxie, der Milchstraße. Die Lichtimpulse erreichen die Erde nach Reisenvon Tausenden von Jahren. Das liegt daran, dass sogar Licht, das sich sehr schnell ausbreitet, Zeit braucht, um sich über große Entfernungen zu bewegen.

Aber im Schema der Dinge sind Tausende von Lichtjahren nicht so weit weg und Tausende von Jahren in der Vergangenheit sind noch nicht so lange her.

Vor Milliarden von Jahren, bevor die Erde entstand, wirbelten bereits ganze Galaxien herum. Hin und wieder zog die Schwerkraft zwei dieser Galaxien aufeinander zu.

„Wir wissen, dass sich im Herzen massereicher Galaxien ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet“, sagt Parthasarathy. „Im frühen Universum verschmolzen massereiche Galaxien, was bedeutet, dass [ihre] supermassereichen Schwarzen Löcher ebenfalls verschmolzen sind.“

Es wird angenommen, dass dies im Laufe der kosmischen Geschichte ziemlich oft passiert ist. Aber dies sind keine direkten Kollisionen. Stattdessen umkreisen sich die Schwarzen Löcher für einige Zeit, bevor sie schließlich in die Schwerkraft des anderen fallen. Wahrscheinlich. Die Details vonwie sich dieses Endspiel entfaltet Kosmologen nennen es das „letzte Parsec-Problem“, sind noch nicht verstanden. Forschungsergebnisse wie diese könnten die Verwirrung aufklären.

Supermassive Schwarze Löcher sind so massereich – oft enthalten sie Hunderte Millionen oder Milliarden Mal so viel Materie wie die Sonne – dass sie einander aus großer Entfernung umkreisen. Es kann viele Jahre dauern, bis ein Paar so weit istmachen eine volle Umdrehung umeinander.

Diese Menge an Masse, die sich durch den Weltraum bewegt, tut etwas so schwer vorstellbares, dass es buchstäblich Albert Einstein war, der vor etwas mehr als einem Jahrhundert als erster vorhersagte, dass so etwas passieren könnte.

„Jedes Mal, wenn zwei supermassive Schwarze Löcher verschmelzen, erzeugen sie Wellen in der Raumzeit“, sagt Parthasarathy.

Kerr beschreibt das Phänomen als „Veränderung der Krümmung“ oder „Krümmung“ der Raumzeit.

Genau genommen sind es nicht nur die Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher, die eine solche Störung verursachen. „Wenn Materie beschleunigt, erzeugt sie Gravitationswellen“, sagt Kerr. Selbst ein Mensch, der mit der Hand winkt, erzeugt eine verschwindend kleine Gravitationswelle. Die Begründung KosmologenDer Fokus auf Verschmelzungen von Schwarzen Löchern liegt darin, dass sie einige der wenigen Ereignisse sind, die genug Masse beinhalten, um ausreichend große Wellen in der Raumzeit zu erzeugen, die selbst die modernste Technologie erkennen kann.

Kosmologen begannen vor weniger als einem Jahrzehnt mit der Entdeckung von Gravitationswellen

Die ersten Gravitationswellen, die Astrophysiker entdeckten, stammten von einer viel kleineren Kollision. Vor nur sieben Jahren wurde ein Observatorium entwickelt, um zu überwachen, wie lange Photonen brauchen, um die Länge einer 2,5 Meilen langen Röhre eigentlich zwei Röhren zu durchqueren, die im Einklang arbeiten, bemerkten, dass die Reise etwas länger als normal dauerte. Da die Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist, muss die Änderung in der Entfernung liegen, die diese Photonen zurückgelegt haben. Nach einer enormen Menge an Bestätigung kamen die Forscher zu dem Schluss, dass das Observatorium,befindet sich in Louisiana und im US-Bundesstaat Washington und ist gemeinsam als LIGO bekannt Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, muss eine Gravitationswelle entdeckt haben.

„LIGO sieht Schwarze Löcher und Neutronensterne – Dinge, die etwa die Masse unserer Sonne haben – während sie miteinander verschmelzen“, sagt Kerr. „Wenn sie verschmelzen, emittieren sie reichlich Gravitationswellen [ateine sehr hohe Frequenz].

Die Röhren von LIGO sind etwa 2,5 Meilen lang, da dies die Größenordnung ist, in der Theoretiker erwartet haben, dass solche Wellen am einfachsten gemessen werden können.

„Wenn LIGO nach den Schwarzen Löchern mit stellarer Masse sucht, liegt die Wellenlänge der erzeugten Gravitationswellen zwischen den Wellenbergen in der Größenordnung von einigen zehn bis hundert Kilometern, was bedeutet, dass Sie wirklich nur kilometerlange Arme benötigen, um sie zu erkennendiese Gravitationswellen“, sagt Parthasarathy.

Aber die Gravitationswellen, die supermassereiche Schwarze Löcher erzeugen, sind eine andere Geschichte.

„Wir suchen nach Schwarzen Löchern, die hundertmillionen- und milliardenfach so groß sind wie die Sonne“, sagt Kerr. „Diese Wellen sind wirklich niederfrequent … es dauert Jahre, bis eine Welle einen Zyklus durchläuft.“

„Je länger die Gravitationswellen sind, nach denen Sie suchen, desto größer ist der Detektor, den Sie brauchen“, sagt Parthasarathy.

Hier kommen Pulsare ins Spiel

„Wenn Sie diese Dinge erkennen wollen, brauchen Sie Detektoren in der Größe einer Galaxie. Wir haben nicht die Technologie … um Detektoren in der Größe einer Galaxie zu bauen“, sagt Parthasarathy.

„Das Coole ist, dass man Uhren, wie Pulsare, die über die Galaxie verteilt sind, verwenden kann, um tatsächlich [die gleiche Art von] Experiment durchzuführen. Sie können sich Ihre Sichtlinie zu jedem Pulsar wie einen LIGO-Arm vorstellen“, sagt er.

So wie die Forscher von LIGO genau wissen, wie lange Photonen brauchen sollten, um die Länge des 2,5-Meilen-Arms zu durchqueren, wissen Astronomen genau, wie lange die Photonen von jedem Pulsar brauchen sollten, um von diesem Punkt in der Galaxie zum zu reisenDetektor auf der Erde.

„Wenn der Gravitationswellenhintergrund durch eine der Sichtlinien [zwischen einem Pulsar und der Erde] geht, [wird] die Ankunftszeit von diesem Pulsar um eine Milliardstel Sekunde früher oder später sein“, sagt Parthasarathy.

„Weil diese Gravitationswellen die Raumzeit selbst krümmen und bewirken, dass die Lichtwege etwas anders verlaufen, je nachdem, welche Gravitationswelle genau zwischen uns und ihnen ist“, sagt Kerr. „Wir suchen nach diesen winzigen Variationen indie Ankunftszeiten von Pulsaren.“

Mit Hilfe von Computern können die Forscher Beobachtungen von Dutzenden von Pulsaren, die sie überwachen, zusammenfügen, um das Gesamtbild auszufüllen.

„Sie können dieses Muster über mehrere Sichtlinien hinweg sehen … und wenn Sie eine solche Variation der Ankunftszeit zwischen mehreren Pulsaren feststellen, glauben Sie, dass Sie einen Gravitationswellenhintergrund entdeckt haben“, sagt er.

Gravitationsgriff enthält unglaubliche Geheimnisse

Diese neue Forschung wirft Licht auf Ereignisse, die sich vor Milliarden von Jahren ereignet haben. Wie viele Galaxien gab es? Wie waren sie im Universum verteilt? Wie sind sie im Laufe der Zeit gewachsen und verändert worden? Wie verhalten sich supermassive Schwarze Löcher, wenn sie in Kontakt kommenmiteinander? Wie oft finden diese Ereignisse statt?

Die Gravitationswellen, die diese unglaublichen Ereignisse in den Weltraum aussenden, dienen als Aufzeichnungen unserer kosmischen Vergangenheit, die bis vor wenigen Jahren völlig unlesbar waren. Sie bieten auch Hinweise auf unsere kosmische Zukunft.