Kosmische Uhren halten Zeit bei der Suche nach Gravitationswellen

Es gibt eine wiederkehrende Handlung in Science-Fiction- und Fantasy-Geschichten über Uhren, die sich merkwürdig verhalten: In "The X-Files" gehen digitale Uhren drunter und drüber und Armbanduhren zeigen fehlende Zeit bei Alien-Begegnungen; In "Doctor Who" und "The Magicians" signalisiert eine seltsam anmutende Uhr die Ankunft eines bedrohlichen Eindringlings.

Mit kosmischen Uhren könnte eine Unterbrechung das Durchlaufen einer Welligkeit im Gewebe von Raum und Zeit bedeuten.

Die Uhren sind in diesem Fall Pulsare - Objekte im Himmel, die schnell zu blinken scheinen, wie Blitzlichter. Eine Gruppe von Wissenschaftlern, die auf der ganzen Welt verteilt sind, beobachten eine Handvoll Pulsare sorgfältig, um zu versuchen, diese Wellen im Gewebe der Realität, die auch als Gravitationswellen bekannt sind, zu erkennen. Diese Pulsar-Experimente erfordern eine unglaubliche Menge an Geduld; Einige von ihnen sammeln seit über einem Jahrzehnt Daten, und optimistische Vorhersagen sagen, dass es weitere drei bis fünf Jahre dauern könnte, bis sie das finden, wonach sie suchen. [Kosmische Uhren helfen bei der Suche nach Gravitationswellen (Video)]

Leuchttürme im Himmel

Im Februar machte ein US-basiertes Experiment, bekannt als Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO), Geschichte, als es den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen ankündigte. Im Juni kündigte LIGO eine zweite Entdeckung an, und das Experiment verwandelte die Gravitationswellenastronomie von hypothetisch zu konkret. Wissenschaftler können jetzt Gravitationswellen verwenden, um mächtige und zuvor unsichtbare kosmische Ereignisse zu sehen, wie beispielsweise isolierte schwarze Löcher, die im Weltraum kollidieren.

Aber LIGO ist nicht das einzige Instrument, das nach diesen Raum-Zeit-Wellen sucht. So wie es Teleskope gibt, die nach verschiedenen Wellenlängen des Lichts im Universum suchen (wie Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Radiowellen), gibt es Forschungen, die darauf abzielen, verschiedene Frequenzen von Gravitationswellen zu finden; Diese verschiedenen Frequenzen würden verschiedene Objekte und Ereignisse im Universum beleuchten.

Pulsare sind eine Untergruppe von Objekten, die Neutronensterne genannt werden - dichte kleine Nuggets aus Material, das übrig bleibt, nachdem ein Stern stirbt. Die meisten Neutronensterne strahlen nicht viel Licht aus, aber Pulsare sind wie kosmische Leuchttürme und rotieren und strahlen gleichzeitig zwei Lichtstrahlen. Während die Strahlen immer wieder an der Erde vorbeischwingen, sehen Astronomen auf dem Boden einen Lichtpuls. Die schnellsten Pulsare drehen sich so schnell, dass sie hunderte Male pro Sekunde zu pulsieren scheinen. (Noch einmal, das bedeutet, dass etwas von der Größe von New York City, mit mehr Masse als die Sonne, Hunderte Male pro Sekunde um seine Achse rotieren kann. Die Geschwindigkeit und Energie, die damit verbunden ist, ist überwältigend.)

Aber was die Pulsar-Wissenschaftler im Laufe der Jahre verblüffte, war die Entdeckung, dass bei einigen dieser schnellen Pulsare diese Pulse genauer beabstandet sind als die Sekundenzeiger auf einer Armbanduhr; und einige Pulsare sind so präzise, ​​dass sie mit den genauesten Uhren konkurrieren, die jemals von Menschen gebaut wurden. In einem Universum, in dem so viele Dinge ungeordnet und unordentlich erscheinen (selbst wenn sie einem strengen Satz physikalischer Gesetze gehorchen), ist die Ordentlichkeit des Pulsartimings bemerkenswert. (Die Wissenschaftler, die die Pulsare zum ersten Mal entdeckten, waren so überrascht von der Regelmäßigkeit des Blinzelns, dass sie nicht umhin konnten zu denken, dass dies Signale einer intelligenten außerirdischen Zivilisation waren).

Und so ist es verständlicherweise seltsam, dass die Lichtimpulse eines sehr genauen Pulsars plötzlich nicht so genau sind. Eine Änderung der Ankunftszeit dieser Impulse deutet darauf hin, dass etwas passiert, wenn das Licht auf die Erde trifft; vielleicht ging eine Gravitationswelle vorbei und dehnte oder komprimierte den Raum zwischen dem Pulsar und der Erde. Und genau das suchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt mit Pulsar Timing Arrays.

Eine Fundgrube

Albert Einstein prägte vor einem Jahrhundert den Begriff "Gravitationswelle", um Wellen in dem flexiblen universellen Gewebe zu beschreiben, das er "Raumzeit" nannte. Massive Objekte erzeugen Kurven in der Raumzeit, etwa wie eine Bowlingkugel eine Matratze umkrümmt, wenn sie darauf platziert wird. Zwei massive Objekte, die sich schnell umeinander drehen, krümmen nicht nur die Raumzeit, sondern erzeugen auch Wellen, die sich in das Universum ausbreiten, wie Wellen, die sich über die Oberfläche eines Teiches ausbreiten.

Das Erkennen von Gravitationswellen ist wie das Suchen nach Booten auf dem Ozean, indem man auf die Wellen schaut, die auf das Ufer prallen. Was würde es brauchen, um diese Wellen zu lesen und herauszufinden, dass irgendwo jenseits des Horizonts ein Boot vorbeigefahren war? Was würde es brauchen, um die Größe des Bootes und die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der es sich bewegte?

Das LIGO-Experiment verwendet ein Instrument, das als Interferometer bezeichnet wird und direkt die Dehnung und Stauchung von Räumen beobachtet, die durch Gravitationswellen verursacht werden. LIGO entdeckte im vergangenen Jahr zwei Gravitationswellenereignisse - in beiden Fällen kamen die Raum-Zeit-Wellen aus schwarzen Löchern, jeweils zwischen dem 10- bis 40-fachen der Sonnenmasse, in den letzten Sekunden, bevor sie kollidierten und verschmolzen.

Pulsar Timing Arrays dagegen sind empfindlich gegenüber der Verschmelzung von Schwarzen Löchern, die wesentlich größer sind als die von LIGO - Hunderte bis Milliarden Sonnenmassen, so Maura McLaughlin, Professorin für Astrophysik an der West Virginia University. McLaughlin ist Mitglied von Nanograv, einer US-amerikanischen und kanadischen PTA-Kollaboration.

Während ein Objekt mit der Masse der Sonne genügend Gravitationskraft haben kann, um Planeten dazu zu bringen, um sie herum zu kreisen, können diese supermassiven Schwarzen Löcher die Bewegungen von Milliarden von Sternen beeinflussen. Wenn oder wenn PTAs zwei monströse schwarze Löcher zusammenführen, wird es im Zentrum von zwei Galaxien sein, die sich auch zusammengeschlossen haben, in einem Prozess, der im Universum ziemlich üblich sein könnte.

"Während LIGO auf erstaunliche Weise die Sternentwicklung und die fundamentalen Eigenschaften von Schwarzen Löchern untersucht hat, was Nanograv erforschen wird, ist die galaktische Evolution und Galaxienverschmelzungen und Kosmologie - wir werden in der kosmischen Zeit sehr weit zurückblicken." McLaughlin sagte während eines Vortrags bei der April 2016 Sitzung der American Physical Society in Salt Lake City. "Also werden wir sehr unterschiedliche Dinge studieren."

Neben den Zusammenschlüssen von Schwarzen Löchern suchen die PTA-Forscher nach einem universellen Gravitationswellen-Hintergrund: Ein konsistentes Brummen der Raum-Zeit-Wellen wird von allen zusammenlaufenden, kollidierenden, zusammenwachsenden Aktionen des Universums erzeugt. Dieser Hintergrund, je nachdem, wie stark er ist, könnte das erste sein, was PTAs entdecken können, sagte McLaughlin.

An der Küste stehen

Wenn Wissenschaftler Pulsare verwenden wollen, um vorbeiziehende Gravitationswellen zu erkennen, müssen sie zuerst alle anderen Dinge subtrahieren, die die Ankunftszeit der regulären Lichtpulse beeinflussen könnten, wenn sie zur Erde reisen. Dinge wie die Bewegung der Erde um die Sonne (wenn sich der Abstand zwischen dem Pulsar und der Erde ändert, dann werden die Impulse etwas mehr oder weniger Zeit benötigen, um die Detektoren zu erreichen). Es könnte einen Begleitstern in der Nähe des Pulsars geben, und McLaughlin sagte ProfoundSpace.org, dass der Pulsar sich in einer Umlaufbahn um den Begleiter bewegen würde (was wiederum die relative Bewegung des Pulsars verändert) zur Erde) oder die Möglichkeit, dass die Gravitation des zweiten Objekts den Weg des vom Pulsar kommenden Lichts versperrt. Fast jede Variable hat eine eindeutige Antwort für jeden Pulsar und die PTAs haben Dutzende von Pulsaren, die sie überwachen. McLaughlins natürlich positiver Tonfall schwankt nie, wenn sie sagt, dass Pulsar-Wissenschaftler nach mehr als 40 Jahren des Studiums dieser Objekte mit dem Prozess der Subtraktion dieser Effekte recht zufrieden sind.

"Es ist der Name des Spiels", sagte sie während ihres Vortrags beim APS-Treffen. Gleichzeitig fügt sie hinzu, dass Pulsar-Wissenschaftler ihre Listen möglicher Unterbrechungen immer wieder überprüfen und sicherstellen, dass sie jeden möglichen Effekt berücksichtigt haben. "Wir versuchen immer, es besser zu machen", sagte sie.

PTAs unterscheiden sich auch signifikant vom LIGO im Zeitpunkt ihrer Gravitationswellendetektion. Bevor schwarze Löcher kollidieren, kreisen sie wie Wasser um einen Abfluss. LIGO sammelt Gravitationswellen, die in den letzten Sekunden vor der Fusion entstanden sind. Aber die gewaltigen schwarzen Löcher, die PTAs sehen wollen, werden noch lange nicht kollidieren; viele von ihnen nicht für Millionen von Jahren, sagte McLaughlin. Das ist teilweise eine gute Sache, weil es bedeutet, dass es ein größeres Zeitfenster gibt, in dem eine PTA ein Gravitationswellenereignis erkennen kann. (Während das LIGO-Fenster nur wenige Sekunden lang ist, dh wenn der Detektor ausgeschaltet ist, wenn die Welle vorbeifliegt, wird er nicht sehen.)

Es bedeutet aber auch, dass Nanograv Daten über einen längeren Zeitraum sammeln muss, um das Gravitationswellensignal hervortreten zu sehen, und nach mehr als 11 Jahren Beobachtung muss Nanograv noch ein Gravitationswellensignal erkennen. (Der letzte Datensatz von Nanograv wird bis Ende des Jahres veröffentlicht). Wenn eine Gravitationswelle von zwei kollidierenden Schwarzen Löchern schließlich die Ufer der Erde erreicht, hat sie sich signifikant verkleinert. LIGO zum Beispiel ist so gebaut, dass es Abweichungen in der Entfernung erkennt, die durch eine Gravitationswelle erzeugt werden. Wenn die Detektoren von LIGO 93 Millionen Meilen lang wären, wäre die durch eine Gravitationswelle verursachte Variation der Entfernung immer noch geringer als die Breite eines menschlichen Haares.

PTAs machen auch extrem empfindliche Messungen, aber anstelle der Entfernung messen sie Schwankungen in der Zeit zwischen Pulsarimpulsen. In den besten Pulsaren können Wissenschaftler Variationen bis zu 100 Milliardstel Sekunden messen.

Sehr wenige Pulsare haben diese Genauigkeit, so dass PTAs Beobachtungen mehrerer Pulsare am Himmel kombinieren, um schwache Gravitationswellensignale zu verstärken. Momentan wissen Wissenschaftler von insgesamt 2.500 Pulsaren, sagte McLaughlin. Nur etwa 240 davon sind die sehr schnellen Pulsare, und noch weniger davon erweisen sich als nützlich für die Suche nach Gravitationswellen. Nanograv hat derzeit 50 Pulsare, die es für Gravitationswellensuchen und Timing-Studien verwendet, von denen 12 eine Zeitgenauigkeit von weniger als 200 Milliardstel Sekunden haben.

Die Zukunft ist hell

In ihrem Vortrag vor der American Physical Society sagte McLaughlin, dass sie und ihre Kollegen von Nanograv eine Gravitationswellendetektion durch eine PTA "für sehr leicht innerhalb der nächsten fünf Jahre halten".

In der PTA-Gemeinschaft wird über diese Schätzung diskutiert. George Hobbs ist Mitglied der Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), einer Gruppe, die sich mit dem Parkes Radio Telescope in New South Wales, Australien, auf einem Cluster von Pulsaren hält. (Die PPTA und Nanograv sind beide Teil der International Pulsar Timing Array Gruppe, zusammen mit dem European Pulsar Timing Array.)

Im September 2015 veröffentlichten Hobbs und andere Mitglieder der PPTA eine Arbeit in der Zeitschrift Science, in der sie zu dem Schluss kamen, dass der Gravitationswellenhintergrund so schwach sein muss, dass er das Timing der Pulsare um eine Milliardstelsekunde oder weniger beeinflusst.

Diese Schlussfolgerung betrifft Modelle, die versuchen zu prognostizieren, wie Gravitationswellen im Universum erzeugt werden. Wenn die Gravitationswellen Pulsare nur um eine Milliardstelsekunde beeinflussen, dann müssen alle Modelle, die ein stärkeres Signal vorhersagen, ausgeworfen werden, und neue müssen gemacht werden.

Nach dem Bericht der PPTA-Gruppe zeigen diese neuen Modelle, dass der Hintergrund der Gravitationswelle deutlich schwächer sein kann, als PTAs derzeit für die Erkennung bereit sind.Hobbs, der auch ein Forschungswissenschaftler in Astronomie und Weltraumforschung bei der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) in Australien ist, sagte gegenüber ProfoundSpace.org, dass er und einige seiner Kollegen aus diesem Grund der Meinung sind, dass PTAs wahrscheinlich keinen Erfolg haben werden Vorhersage in weniger als fünf Jahren.

"Also denken wir jetzt, dass die tatsächliche Gravitationswellenamplitude viel niedriger ist, als wir ursprünglich erwartet hatten." Sagte Hobbs. "Wenn unsere Pulsare stabil bleiben, werden wir am Ende ankommen, aber es wird noch viel länger dauern."

Er schätzt, dass es wahrscheinlich mindestens 5 bis 10 Jahre dauern wird, bis PTAs eine Gravitationswellendetektion durchführen.

Mitglieder von Nanograv (einschließlich McLaughlin) veröffentlichten eine Antwort auf das PPTA-Papier und argumentierten gegen einen Teil des Papiers; Sie veröffentlichten auch zwei nachfolgende Artikel, die darauf hindeuten, dass eine frühere Erkennung möglich ist. Die Variablen, die in diese Vorhersagen einfließen, haben immer noch große Unsicherheiten, sagte McLaughlin. Zum Beispiel wissen die Wissenschaftler nicht, wie viele neue Pulsare die PTAs in den nächsten Jahren ihren Arrays hinzufügen könnten, und sie kennen die Stärke des Hintergrundsignals der Gravitationswelle nicht.

Aber im Gespräch mit Hobbs und McLaughlin sind ihre Vorhersagen, wann eine PTA eine Gravitationswellendetektion durchführen wird, praktisch gleich: 5 bis 10 Jahre. Der Unterschied in der Meinung entsteht, wenn diese Zeitachse genauer untersucht wird: McLaughlin hält eine Entdeckung in 5 Jahren für sehr wahrscheinlich, während Hobbs über die Situation spricht, als ob eine Entdeckung in 5 Jahren möglich, aber höchst unwahrscheinlich sei er wäre nicht überrascht, wenn es länger als 1 Jahre dauern würde, um eine Entdeckung zu machen.

Hobbs sagte, seine Bedenken über die Zeit bis zur Entdeckung seien auch dadurch beeinflusst, dass zwei Radioteleskope derzeit den Himmel überfliegen und nach neuen Pulsaren, Parkes und Aricebo suchen. zusammen mit dem Green Bank Telescope, das von Nanograv genutzt wird, "droht die Schließung".

Wenn es Uneinigkeit darüber gibt, wie viele gut getimte Pulsare in den nächsten fünf Jahren entdeckt werden, gibt es auch eine erhöhte Vorfreude auf die Anzahl neuer Pulsare, die in den nächsten Jahrzehnten entdeckt werden. Es gibt neue Radioteleskope, die sich derzeit im Bau befinden oder auf dem Weg zum Betrieb sind, darunter das Fünf-Hundert-Meter-Apertur-Sphärisches Teleskop (FAST) in China. Berichte aus dem Inneren des Landes bestätigen, dass der Bau von FAST abgeschlossen wurde und damit das größte jemals gebaute Radioteleskop ist. Es soll in zwei bis drei Jahren online gehen und soll die doppelte Empfindlichkeit des Aricebo-Teleskops haben. Das bevorstehende Square Kilometre Array (SKA) Radioteleskop könnte noch sensitiver als FAST sein, obwohl der Bau auf SKA erst 2018 beginnen soll. All diese Teleskope führen die Möglichkeit neuer Pulsar-Entdeckungen ein, von denen einige genau genug sein könnten Wissenschaftler zu nutzen - und bieten damit eine Möglichkeit, PTAs Präzision und Entdeckungskraft hinzuzufügen.

Mit der Aussicht auf eine Gravitationswellen-Detektion, die möglicherweise am Horizont (oder gerade darüber hinaus) ist, sagte McLaughlin, dass eine andere Sorge in der Gemeinschaft darin besteht, wie mit einer Detektion umzugehen ist.

"Wir haben alle Schritte gesehen, die das LIGO-Team unternommen hat, um zu zeigen, dass diese Entdeckungen, insbesondere die erste, natürlich echt sind", sagte McLaughlin. "Wir müssen also sehr genau darüber nachdenken, wenn wir an diesen Punkt kommen, und wir müssen diese große Ankündigung machen, welche Dinge die Gemeinschaft sehen will, um überzeugt zu sein, dass unsere Erkennung auch eine echte Entdeckung ist . "

Hoffentlich muss die Community nicht lange warten, um dieses spezielle Problem zu lösen.