Die beste Karte des Gravitationswellenhimmels

Die bislang aussage­kräftigste Karte des Gravitations­wellenhimmels wurde von einer internationalen Forschergruppe erstellt, an der auch zahlreiche Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn beteiligt waren. Um dieses Ziel zu erreichen, analysierten die Wissenschaftler einen Datensatz von Pulsar­beobachtungen, die über einen Zeitraum von viereinhalb Jahren mit dem MeerKAT-Radioteleskop – einem der leistungs­stärksten Radioteleskope der Welt – aufgenommen wurden.

Ein Pulsar Timing Array nutzt die äußerst regelmäßigen Pulse von pulsierenden Neutronen­sternen, um schwache Abweichungen von der Regelmäßigkeit der Pulse aufzuspüren, die durch Gravitations­wellen verursacht werden. Im Rahmen einer inter­nationalen Kollaboration von Radioastronomen aus Australien, Deutschland, dem Vereinigten Königreich, Südafrika, den Niederlanden, Italien und Frankreich wurde mit dem MeerKAT Pulsar Timing Array (MPTA) ein Gravitations­wellendetektor von der Größe einer Galaxie geschaffen, indem die regelmäßigen Pulse von Pulsaren mit dem MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika auf Nanosekunden genau überwacht werden.

Die mit Pulsar-Timing-Arrays beobachteten Gravitations­wellen werden von einigen der stärksten Quellen des Universums verursacht; hierzu zählen supermasse­reiche schwarze Löcher sowie Ereignisse kurz nach dem Urknall. Matt Miles, Forscher an der Swinburne University of Technology in Melbourne erklärt: „Die Summe aller dieser Gravitationswellen, die sich im Universum ausbreiten, bildet einen Gravitations­wellen­hintergrund, ein kosmisches Summen, das wertvolle Hinweise auf die verborgenen Prozesse liefert, die unser Universum formen.“

Die Kartierung der Gravitations­wellen am gesamten Himmel ermöglicht die Suche nach Gebieten, aus denen verhältnismäßig viele Gravitations­wellen gemessen werden, die„Hot Spots“. Ein solcher Hot Spot kann durch ein einzelnes binäres supermasse­reiches schwarzes Loch verursacht werden und grundlegende Erkenntnisse über den Ursprung des Gravitationswellen­hintergrunds liefern. Auf der Grundlage der qualitativ hochwertigen Daten des MeerKAT-Radio­teleskops, die um einen Datensatz ergänzt wurden, der die bisher größte Anzahl an gemeinsam verwendeten Pulsaren beinhaltet, veröffent­lichte die Gruppe von Forschern unter der Leitung von Kathrin Grunthal vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie (MPIfR) die aktuell beste Karte des Gravitations­wellenhimmels. 

„Indem wir nach Variationen in den Gravitationswellen am Himmel suchen, machen wir uns gleichzeitig auch auf die Suche nach dem Fingerabdruck der astrophysikalischen Prozesse, die hinter dem Gravitations­wellensignal stecken“, sagt Grunthal. Während die meisten Teile des Himmels in der Analyse keine Anzeichen von Anisotropie zeigen, entdeckte das Forschungsteam eine kleine Anzahl interessanter Merkmale, die in zukünftigen Arbeiten weiter untersucht werden sollen. „Die Kartierung des Gravitations­wellenhintergrunds liefert uns ein vollständigeres Bild des Universums“. sagt Radio­astronomin Rowina Nathan.

Diese Karte des Gravitationswellenhimmels baut auf dem deutlichen Hinweis auf ein Gravitations­wellen-Hinter­grundsignal im MPTA-Datensatz auf. „Bei früheren Karten wurde davon ausgegangen, dass es kein Signal gibt. Jetzt, da wir Beweise für Gravitations­wellen haben, ändern sich die Berechnungen dieser Karten. Unsere Karte ist die erste Timing-Array-Karte, die dies berücksichtigt“, sagt David Champion vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie. Im Vergleich zu ähnlichen globalen PTA-Projekten wie dem European Pulsar Timing Array, benötigte das MeerKAT Pulsar Timing Array nur ein Drittel der Beobachtungszeit, um eine vergleichbare Empfindlichkeit zu erreichen. „Dies ist ein Beweis für die heraus­ragenden Fähigkeiten des MeerKAT-Radioteleskops, an dem unser Institut maßgeblich beteiligt ist, indem es Hardware, Software und wissenschaftliche Arbeit für eine ganze Reihe von Projekten zur Verfügung stellt“, sagt MPIfR-Direktor Michael Kramer.

Die Arbeit der MeerKAT Pulsar Timing Array Kollaboration ist ein bedeutender und zukunftsweisender Schritt in der radio­astronomischen Gravitations­wellenforschung. MeerKAT ist ein Vorläufer für das Square Kilometre Array (SKA) und wird schließlich in das SKA-Mid-Teleskop des SKA-Observatoriums integriert werden, das sich derzeit im Bau befindet. Die Ergebnisse der MeerKAT Pulsar Timing Array Kollaboration zeigen die entscheidende Rolle, die diese Radio­teleskope der nächsten Generation bei den globalen Bemühungen zur Erforschung des Universums der nieder­frequenten Gravitations­wellen spielen werden.

MPIfR / JOL