Wie die Erde auf dem Meer der Raumzeit schaukelt

Eine konstante Strahlung im Mikrowellenbereich, die Hintergrundstrahlung, verrät den Kosmologen schon lange, dass 380.000 Jahre nach dem Urknall etwas Wichtiges passiert ist. Damals rekombinierten Elektronen und Protonen zu molekularem Wasserstoff, sodass das All endlich durchsichtig wurde, sich also Licht ausbreiten können. Die Überbleibsel dieses Lichts, in das Infrarot verschoben, können wir heute noch messen.

Aber kurz nach dem Urknall ist eine Menge passiert. Das ganz frühe Universum wurde von zeitveränderlichen Skalarfeldern bestimmt, nach der Inflationsphase müsste es zu  einem Energietransfer von Inflaton-Teilchen auf reguläre Materie gekommen sein, es gab diverse Phasenübergänge, bei denen das Universum hart von einem zum folgenden Zustand wechselte (wie beim elektroschwachen Phasenübergang).

Diese Phänomene sind zwar heute noch hypothetisch, doch sie könnten sich nachweisen lassen: Es müsste nämlich dabei ein Gravitationswellenhintergrund entstanden sein. Der Nachweis eines Hintergrunds aus diesen Quellen wäre damit eine bedeutende Entdeckung neuer Physik und hätte einen tiefgreifenden Einfluss auf die Kosmologie des frühen Universums und auf die Hochenergiephysik.

Wie kann man sich einen Gravitationswellenhintergrund vorstellen? Forscher messen mit LIGO heute immer wieder das Gravitationsecho von Kollisionen Schwarzer Löcher und ähnlich gewaltigen Vorgängen. Diese Wellen sind stark und schnell, sie rasen in Mikrosekunden durch die Erde. Es sind Tsunamis in der Raumzeit. Der Gravitationswellenhintergrund hingegen ist der normale Wellengang des Meeres, das wir die Raumzeit nennen. Die Erde und alle anderen Objekte im Universum schwimmen auf ihm, ohne dass wir es mitbekommen. Es sind lange Wellen, ihr Durchgang durch die Erde dauert ein Jahr und länger.

Dementsprechend schwer ist es, den Gravitationswellenhintergrund nachzuweisen. Seit über 13 Jahren durchforsten Forscher im Rahmen des NANOGRAV-Projekts bereits das Licht von Dutzenden Pulsaren in der Milchstraße. Das Team hat dieses Ziel noch nicht erreicht, aber es kommt ihm näher als je zuvor, sagt Joseph Simon, ein Astrophysiker an der University of Colorado Boulder und Hauptautor einer neuen Arbeit.

“Wir haben ein starkes Signal in unserem Datensatz gefunden”, sagt Simon. “Aber wir können noch nicht sagen, dass dies der Gravitationswellenhintergrund ist. Diese verlockenden ersten Hinweise auf einen Gravitationswellenhintergrund deuten darauf hin, dass supermassive Schwarze Löcher wahrscheinlich tatsächlich verschmelzen und dass wir in einem Meer von Gravitationswellen schwimmen, die von der Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher in Galaxien überall im Universum ausgehen”, sagt Julie Comerford, außerordentliche Professorin für Astrophysik und Planetenwissenschaften an der CU Boulder und Mitglied des NANOGrav-Teams.

Mit ihrer Arbeit an NANOGrav sind Simon und Comerford Teil eines internationalen Wettlaufs. Das NANOGrav-Team nutzt Teleskope am Boden, um Pulsare zu beobachten. Diese kollabierten Sterne sind die Leuchttürme der Galaxie. Sie drehen sich mit unglaublicher Geschwindigkeit und schicken Strahlungsströme in einem blinkenden Muster auf die Erde zu, das über die Äonen hinweg weitgehend unverändert bleibt. Die Gravitationswellen jedoch verändern das gleichmäßige Muster, indem sie die Entfernungen, die diese Strahlen durch den Raum zurücklegen, zerren oder quetschen. Wissenschaftler können den Gravitationswellenhintergrund also erkennen, indem sie einfach Pulsare auf korrelierte Änderungen im Timing überwachen.

“Diese Pulsare drehen sich ungefähr so schnell wie Ihr Küchenmixer”, sagt Simon. “Und wir erkennen Abweichungen in ihrem Timing von nur ein paar hundert Nanosekunden.” Dazu muss das NANOGrav-Team so viele Pulsare wie möglich und so lange wie möglich beobachten. Bis heute hat die Gruppe 45 Pulsare mindestens drei Jahre lang beobachtet, in einigen Fällen sogar weit über ein Jahrzehnt.

Die harte Arbeit scheint sich zu lohnen. In ihrer neuesten Studie berichten Simon und seine Kollegen, dass sie ein deutliches Signal in ihren Daten entdeckt haben: Ein gemeinsamer Prozess scheint das Licht von vielen der Pulsare zu beeinflussen. “Wir sind jeden der Pulsare einzeln durchgegangen. Ich glaube, wir haben alle erwartet, dass wir ein paar finden würden, die unsere Daten durcheinander bringen”, sagt Simon. “Aber dann sind wir sie alle durchgegangen und haben gesagt: ‘Oh mein Gott, hier ist tatsächlich etwas.'”

Die Forscher können allerdings immer noch nicht mit Sicherheit sagen, was dieses Signal verursacht. Sie müssen mehr Pulsare zu ihrem Datensatz hinzufügen und sie über längere Zeiträume beobachten, um festzustellen, ob es tatsächlich der Gravitationswellenhintergrund ist.

Die Grafik zeigt, wie das Licht eines Pulsars inmitten eines Meeres von Gravitationswellen zur Erde wandert. (Bild: NANOGrav/T. Klein)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.