Beginnen Sie mit Jupiter, um riesige schwarze Löcher zu finden

30. Juni 2020

(Nanowerk News) Die Revolution in unserem Verständnis des Nachthimmels und unseres Platzes im Universum begann, als wir 1609 von der Verwendung des bloßen Auges zu einem Teleskop übergingen. Vier Jahrhunderte später erleben Wissenschaftler einen ähnlichen Übergang in ihrem Wissen über Schwarze Löcher, indem sie nach suchen Gravitationswellen.

Auf der Suche nach bisher unentdeckten Schwarzen Löchern, die milliardenfach massereicher sind als die Sonne, war Stephen Taylor, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie und ehemaliger Astronom am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, zusammen mit dem nordamerikanischen Nanohertz-Observatorium für Gravitationswellen ( Die Zusammenarbeit mit NANOGrav) hat das Forschungsfeld vorangebracht, indem der genaue Ort – der Schwerpunkt unseres Sonnensystems – gefunden wurde, mit dem die Gravitationswellen gemessen werden können, die die Existenz dieser Schwarzen Löcher signalisieren.

Das Potenzial dieses von Taylor mitverfassten Fortschritts wurde in der veröffentlicht Astrophysikalisches Journal (“Modellierung der Unsicherheiten von Ephemeriden des Sonnensystems für robuste Gravitationswellensuchen mit Pulsar-Timing-Arrays”).

Schwarze Löcher sind Regionen mit reiner Schwerkraft, die aus extrem verzerrter Raumzeit gebildet werden. Wenn wir die titanischsten Schwarzen Löcher im Universum finden, die im Herzen von Galaxien lauern, können wir besser verstehen, wie solche Galaxien (einschließlich unserer eigenen) im Laufe der Milliarden Jahre seit ihrer Entstehung gewachsen sind und sich weiterentwickelt haben. Diese Schwarzen Löcher sind auch konkurrenzlose Labors, um grundlegende Annahmen über die Physik zu testen.

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt werden. Wenn sich Schwarze Löcher paarweise umkreisen, strahlen sie Gravitationswellen aus, die die Raumzeit verformen, den Raum dehnen und zusammendrücken. Gravitationswellen wurden erstmals 2015 vom Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) erfasst und eröffneten neue Perspektiven auf die extremsten Objekte im Universum. Während LIGO relativ kurze Gravitationswellen beobachtet, indem es nach Änderungen in der Form eines 4 km langen Detektors sucht, sucht NANOGrav, ein Physik-Grenzzentrum der National Science Foundation (NSF), nach Änderungen in der Form unserer gesamten Galaxie. Erkennen von Gravitationswellen mithilfe einer Reihe von Pulsaren Detektion von Gravitationswellen mit einer Reihe von Pulsaren. (Bild: David Champion)

Taylor und sein Team suchen nach Änderungen der Ankunftsrate von regelmäßigen Radiowellenblitzen von Pulsaren. Diese Pulsare sind sich schnell drehende Neutronensterne, von denen einige so schnell wie ein Küchenmixer sind. Sie senden auch Strahlen von Radiowellen aus, die wie interstellare Leuchttürme erscheinen, wenn diese Strahlen über die Erde fegen. Über 15 Jahre Daten haben gezeigt, dass diese Pulsare in ihren Pulsankunftsraten äußerst zuverlässig sind und als herausragende galaktische Uhren fungieren. Jegliche zeitliche Abweichungen, die über viele dieser Pulsare hinweg korrelieren, könnten den Einfluss von Gravitationswellen signalisieren, die unsere Galaxie verziehen.

“Mit den Pulsaren, die wir in der Milchstraße beobachten, versuchen wir, wie eine Spinne zu sein, die in der Stille mitten in ihrem Netz sitzt”, erklärt Taylor. “Wie gut wir das Barycenter des Sonnensystems verstehen, ist entscheidend, wenn wir versuchen, selbst das kleinste Kribbeln im Web zu spüren.” Das Schwerpunktzentrum des Sonnensystems, sein Schwerpunkt, ist der Ort, an dem sich die Massen aller Planeten, Monde und Asteroiden ausgleichen.

Wo ist das Zentrum unseres Netzes, der Ort der absoluten Stille in unserem Sonnensystem? Nicht im Zentrum der Sonne, wie viele vielleicht annehmen, sondern näher an der Oberfläche des Sterns. Dies ist auf Jupiters Masse und unser unvollkommenes Wissen über seine Umlaufbahn zurückzuführen. Es dauert 12 Jahre, bis Jupiter die Sonne umkreist, kurz vor den 15 Jahren, in denen NANOGrav Daten gesammelt hat. Die Galileo-Sonde von JPL (benannt nach dem berühmten Wissenschaftler, der mit einem Teleskop die Monde des Jupiter beobachtete) untersuchte Jupiter zwischen 1995 und 2003, hatte jedoch technische Probleme, die sich auf die Qualität der während der Mission durchgeführten Messungen auswirkten.

Die Identifizierung des Schwerpunkts des Sonnensystems wurde lange Zeit mit Daten aus der Doppler-Verfolgung berechnet, um eine Schätzung des Standorts und der Flugbahnen von Körpern zu erhalten, die die Sonne umkreisen. “Der Haken ist, dass Fehler in den Massen und Bahnen zu Pulsar-Timing-Artefakten führen, die möglicherweise wie Gravitationswellen aussehen”, erklärt der JPL-Astronom und Co-Autor Joe Simon. Aspekt des Sonnensystems Aspekt des Sonnensystems. (Tonia Klein / NANOGrav Physics Frontier Center)

Taylor und seine Mitarbeiter stellten fest, dass die Arbeit mit vorhandenen Sonnensystemmodellen zur Analyse von NANOGrav-Daten zu inkonsistenten Ergebnissen führte. “Wir haben bei unseren Gravitationswellensuchen zwischen Sonnensystemmodellen nichts Bedeutendes festgestellt, aber wir haben große systematische Unterschiede in unseren Berechnungen festgestellt”, bemerkt der JPL-Astronom und der Hauptautor des Papiers, Michele Vallisneri. “Normalerweise liefern mehr Daten ein genaueres Ergebnis, aber unsere Berechnungen enthielten immer einen Versatz.”

Die Gruppe beschloss, gleichzeitig mit der Suche nach Gravitationswellen nach dem Schwerpunkt des Sonnensystems zu suchen. Die Forscher erhielten robustere Antworten auf das Auffinden von Gravitationswellen und konnten den Schwerpunkt des Sonnensystems auf 100 Meter genau lokalisieren. Um diese Skala zu verstehen, wären 100 Meter der Durchmesser einer Haarsträhne, wenn die Sonne die Größe eines Fußballfeldes hätte. “Unsere genaue Beobachtung von Pulsaren, die über die Galaxie verstreut sind, hat uns im Kosmos besser lokalisiert als jemals zuvor”, sagte Taylor. “Indem wir auf diese Weise zusätzlich zu anderen Experimenten Gravitationswellen finden, erhalten wir einen ganzheitlicheren Überblick über alle Arten von Schwarzen Löchern im Universum.”

Da NANOGrav immer mehr und präzisere Pulsar-Timing-Daten sammelt, sind Astronomen zuversichtlich, dass bald massive und eindeutige Schwarze Löcher in den Daten auftauchen werden.

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