Pulsare als Detektoren für Gravitationswellen

Seit das US-amerikanische LIGO-Teleskop im Jahr 2016 die Wellen in der Raumzeit entdeckte, die durch die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher mit einer Masse von rund 30 Sonnen entstanden, sind Gravitationswellen zu einem wichtigen Fenster ins Universum geworden. Im Gegensatz zu fast allen anderen astronomischen Informationen sind Gravitationswellen nicht elektromagnetischer Natur, sondern Verzerrungen in der Raumzeit, die durch die Beschleunigung von Massen entstehen.

Aber genau wie bei elektromagnetischen Wellen, die von Radiowellen über optisches Licht bis hin zu Gammastrahlen reichen, gibt es ein breites Spektrum. Die LIGO-Messungen liegen im Kilohertzbereich, in dem Binärsysteme von relativ kleinen Objekten wie schwarze Löcher mit stellaren Massen oder Neutronensterne Strahlung abgeben. Die massereichsten Objekte im Universum, supermassive schwarze Löcher mit mehreren Milliarden Sonnenmassen, werden jedoch voraussichtlich im Nanohertzbereich emittieren.

Supermassereiche schwarze Löcher lauern im Zentrum jeder großen Galaxie. Im Laufe der Geschichte des Kosmos sind Galaxien vermutlich immer wieder miteinander verschmolzen und wurden so immer größer. Bei diesen Kollisionen bilden die zentralen schwarzen Löcher in ihren Kernen ein binäres System, bevor sie schließlich selbst verschmelzen. Wie schnell sich Galaxien miteinander vereinigen, ist eine wichtige kosmologische Frage. Die Binärsysteme aus supermassiven schwarzen Löchern können zudem wichtige Beweise für die Kollisionen liefern.

Der LIGO-Detektor verwendet Laser, um die Länge zweier rechtwinklig zueinander angeordneten Arme zu vergleichen, die jeweils vier Kilometer lang sind. Wenn eine Gravitationswelle vorbeizieht, ändern sich die Längen um einen Betrag, der viel kleiner ist als der Durchmesser eines Atomkerns. Trotz dieser beeindruckenden Empfindlichkeit haben die von supermassiven Binärsystemen erzeugten Kräuselungen der Raumzeit Wellenlängen von Lichtjahren – viel zu lang, um sie mit Detektoren auf der Erde nachzuweisen. Wir bräuchten einen Detektor von der Größe unserer Galaxie.

Glücklicherweise hat uns die Natur sogenannte Pulsare geschenkt. Dahinter stecken die nach einer Supernova kollabierten Kerne massereicher Sonnen, die sich als schnell rotierende Neutronensterne zeigen. Sie bestehen aus extremer Materie, welche die Atomkerndichte übersteigt, haben einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, besitzen aber 1,4 Sonnenmassen oder mehr. Diese Sterne drehen sich bis zu 720-mal pro Sekunde um ihre Achsen und senden dank ihrer starken Magnetfelder gebündelte elektromagnetische Strahlung aus, vornehmlich im Radiobereich.

Während ein solcher Pulsar rotiert, fegen die Strahlenkegel wie die eines Leuchtturms über den Himmel: Das Objekt scheint rhythmisch zu blinken, gleichsam zu „pulsieren“. Aufgrund ihrer extremen Dichte sind Pulsare sehr stabile Rotoren und lassen sich wie eine Uhr verwenden – ein Prozess, der als Pulsar-Timing bezeichnet wird.

Mit einer Gruppe der genauesten Pulsare können wir ein Pulsar-Timing-Array (PTA) aufbauen. Radioteleskope werden verwendet, um die Ankunftszeit der ausgesendeten Pulse präzise zu messen. Wir suchen nach einer früheren oder späteren Ankunft des Signals, die eine Änderung der Entfernung zwischen der Erde und dem Pulsar anzeigt – wie es von Gravitationswellen zu erwarten wäre, die den Raum zwischen uns und dem Pulsar dehnen und stauchen.

Messungen an diesem äußersten Ende des Gravitationswellenspektrums erfordern jedoch Geduld. Selbst bei Lichtgeschwindigkeit dauert es Jahre, bis eine einzelne Schwingung einer Gravitationswelle die Erde passiert. Und selbst dann wird erwartet, dass die daraus resultierende Änderung der Ankunftszeit nur 100 Nanosekunden (Milliardstel Sekunden) über einen Zeitraum von vielen Jahren beträgt.

Mit dem Ziel, diese Nanohertz-Gravitationswellen zu erfassen, sammelt das Europäische PTA (EPTA) jeden Monat Daten mit den größten Radioteleskopen in Großbritannien, Frankreich, Italien, den Niederlanden und Deutschland. In Deutschland führt das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg unseres Max-Planck-Instituts für Radioastronomie dieses Experiment seit mehr als 25 Jahren durch und erstellt damit den weltweit längsten Katalog von Ankunftszeiten.

Das EPTA hat auch die erforderlichen Detektionsverfahren entwickelt, um das mutmaßliche Gravitationswellensignal von allen anderen potenziellen Rauschquellen zu unterscheiden und dabei Pionierarbeit bei der Anwendung der Bayes'schen Statistik auf diesem Gebiet geleistet. Das EPTA arbeitet unter dem Dach des Internationalen PTA (IPTA) eng mit Kollegen auf der ganzen Welt zusammen. Beteiligt sind das Parkes PTA in Australien, NanoGrav in Nordamerika sowie die indischen und chinesischen PTAs.

Im Jahr 2016 bemerkte das EPTA erstmals einen Hinweis auf ein Signal in den Daten. Es war schwach, aber im erwarteten Frequenzbereich. Unsere Kolleginnen und Kollegen in den anderen PTAs hatten dieses Signal bestätigt. Aber konnten wir sicher sein, dass es von Gravitationswellen stammte? Schließlich könnten die Bewegung der Erde, die Bewegung des interstellaren Mediums und sogar Unregelmäßigkeiten in der Rotation der Pulsare ähnliche Signale erzeugen.

Glücklicherweise hinterlassen Gravitationswellen ein unverwechselbares Muster. Die Dehnung und Stauchung des Raums bedeutet, dass Objekte, die nebeneinander und um 180 Grad voneinander entfernt sind, in ihrer Ankunftszeit der Pulse miteinander korrelieren. Objekte, die 90 oder 270 Grad voneinander entfernt sind, sind jedoch antikorreliert und erzeugen ein sogenanntes quadrupolares Signal. Dies führt zu der Hellings- und Downs-Kurve – dem entscheidenden Beweisstück.

Im Jahr 2016 war das Signal zu schwach, um einen Beweis für die Korrelation zu erkennen. Im Jahr 2023 jedoch, mit mehr Daten und in Kombination mit Daten des indischen PTA, war das Signal viel stärker. Nicht nur das, es gab auch erste Beweise für eine Hellings-und-Downs-Kurve mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu 10.000. Damit wurde das vom IPTA gesetzte Ziel von 1 zu 1.000.000 zwar nicht ganz erreicht; allerdings hatten auch das Parkes PTA, NanoGrav und das chinesische PTA ähnliche unabhängige Beweise. Dies führte im Juni 2023 zur gleichzeitigen Veröffentlichung des ersten Beweises für Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich.

Das Signal gibt bereits wichtigen Aufschluss: Es ist stärker und hat ein flacheres Spektrum als erwartet. Dies könnte uns beispielsweise Hinweise darüber geben, wie lange es dauert, bis die Umlaufbahn von Doppelsystemen aus supermassereichen schwarzen Löchern kreisförmig wird.

Wir arbeiten weiter daran, die Empfindlichkeit unserer Instrumente zu verbessern. So kooperieren wir eng mit dem neuen MeerKAT-Teleskop in Südafrika. Seine unübertroffene Sensibilität für Himmelsobjekte der südlichen Hemisphäre macht das MeerKAT-PTA zu einem spannenden Projekt. Mit Daten aus weniger als fünf Jahren (die gerade im Dezember 2024 veröffentlicht wurden) ist unser Datensatz von diesem Teleskop bereits so empfindlich wie jener der seit langem etablierten PTAs.

Mit zunehmender Empfindlichkeit hoffen wir, die Verteilung der Gravitationswellen am Himmel verfolgen und sogar einzelne Doppelsterne von supermassereichen schwarzen Löchern in der Kakophonie der Quellen ausmachen zu können, sodass wir die Entwicklung bestimmter Binärsysteme und ihrer Wirtsgalaxien verfolgen können.

Während die Ära, in der unsere astronomischen Informationen fast ausschließlich aus elektromagnetischen Wellen stammten, der Vergangenheit angehört, liefern Gravitationswellen weiterhin und in Zukunft neue Erkenntnisse.