Im Februar 2016 haben Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) erstmals Gravitationswellen nachgewiesen. Seitdem wurden mehrere Erkennungen durchgeführt, was zum großen Teil auf Verbesserungen der Instrumente und eine engere Zusammenarbeit zwischen den Observatorien zurückzuführen ist. Mit Blick auf die Zukunft ist es möglich, dass Missionen, die nicht für diesen Zweck entwickelt wurden, auch als Gravitationswellendetektoren „Mondlicht“ erzeugen.
Zum Beispiel könnte das Gaia-Raumschiff, das gerade die detaillierteste 3D-Karte der Milchstraße erstellt, auch eine wichtige Rolle bei der Gravitationswellenforschung spielen. Das hat kürzlich ein Team von Astronomen der Universität Cambridge behauptet. Ihrer Studie zufolge verfügt der Gaia-Satellit über die erforderliche Empfindlichkeit, um Gravitationswellen mit extrem niedriger Frequenz zu untersuchen, die durch Fusionen von supermassiven Schwarzen Löchern erzeugt werden.
Die Studie mit dem Titel „Astrometrische Suchmethode für individuell auflösbare Gravitationswellenquellen mit Gaia“ erschien kürzlich in der Briefe zur körperlichen Überprüfung. Unter der Leitung von Christopher J. Moore, einem theoretischen Physiker vom Center for Mathematical Sciences der University of Cambridge, gehörten Mitglieder des Cambridge Institute of Astronomy, des Cavendish Laboratory und des Kavli Institute for Cosmology zum Team.
Zusammenfassend sind Gravitationswellen (GWs) Wellen in der Raumzeit, die durch gewalttätige Ereignisse wie Fusionen von Schwarzen Löchern, Kollisionen zwischen Neutronensternen und sogar den Urknall erzeugt werden. Observatorien wie LIGO und Advanced Virgo, die ursprünglich von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden, erfassen diese Wellen, indem sie messen, wie sich die Raumzeit als Reaktion auf GWs, die durch die Erde laufen, biegt und drückt.
Das Passieren von GWs würde jedoch auch dazu führen, dass die Erde an ihrem Standort in Bezug auf die Sterne schwingt. Infolgedessen könnte ein umlaufendes Weltraumteleskop (wie Gaia) dies erfassen, indem es eine vorübergehende Verschiebung der Position entfernter Sterne feststellt. Das 2013 gestartete Gaia-Observatorium hat in den letzten Jahren hochpräzise Beobachtungen der Positionen von Sternen in unserer Galaxie durchgeführt (auch bekannt als Astrometrie).
In dieser Hinsicht würde Gaia nach kleinen Verschiebungen in dem von ihm überwachten massiven Sternenfeld suchen, um festzustellen, ob Gravitationswellen durch die Erdnachbarschaft gegangen sind. Um zu untersuchen, ob Gaia der Aufgabe gewachsen war oder nicht, führten Moore und seine Kollegen Berechnungen durch, um festzustellen, ob das Gaia-Weltraumteleskop die erforderliche Empfindlichkeit zur Erkennung von niederfrequenten GWs aufweist.
Zu diesem Zweck simulierten Moore und seine Kollegen Gravitationswellen, die von einem binären supermassiven Schwarzen Loch erzeugt wurden - d. H. Zwei SMBHs, die sich gegenseitig umkreisen. Sie fanden heraus, dass die Datensätze um einen Faktor von mehr als 10 komprimiert wurden6 GWs (mit jeweils 100.000 Sternen statt einer Milliarde) konnten aus Gaia-Daten mit einem Empfindlichkeitsverlust von nur 1% wiederhergestellt werden.
Diese Methode ähnelt der in Pulsar-Timing-Arrays verwendeten, bei denen ein Satz von Millisekunden-Pulsaren untersucht wird, um festzustellen, ob Gravitationswellen die Frequenz ihrer Impulse verändern. In diesem Fall werden Sterne jedoch überwacht, um festzustellen, ob sie mit einem charakteristischen Muster schwingen, anstatt zu pulsieren. Durch Betrachtung eines Feldes mit jeweils 100.000 Sternen könnten Forscher induzierte scheinbare Bewegungen erkennen (siehe Abbildung oben).
Aus diesem Grund dürfte die vollständige Veröffentlichung von Gaia-Daten (geplant für Anfang der 2020er Jahre) eine große Chance für diejenigen sein, die nach GW-Signalen suchen. Wie Moore in a APS Physik Pressemitteilung:
„Gaia wird die Messung dieses Effekts zum ersten Mal zu einer realistischen Perspektive machen. Viele Faktoren tragen zur Durchführbarkeit des Ansatzes bei, einschließlich der Präzision und der langen Dauer der astrometrischen Messungen. Gaia wird über einen Zeitraum von 5 bis 10 Jahren etwa eine Milliarde Sterne beobachten und jeden von ihnen in diesem Zeitraum mindestens 80 Mal lokalisieren. Die Beobachtung so vieler Sterne ist der größte Fortschritt von Gaia. “
Es ist auch interessant festzustellen, dass das Potenzial für die GW-Erkennung von Forschern erkannt wurde, als Gaia noch entworfen wurde. Eine solche Person war Sergei A. Klioner, ein Forscher des Lorhrmann-Observatoriums und Leiter der Gaia-Gruppe an der TU Dresden. Wie er in seiner Studie von 2017 „Gaia-ähnliche Astrometrie und Gravitationswellen“ angedeutet hat, konnte Gaia GWs nachweisen, die durch die Zusammenführung von SMBHs Jahre nach dem Ereignis verursacht wurden:
„Es ist klar, dass die vielversprechendsten Quellen für Gravitationswellen für die astrometrische Detektion supermassive binäre Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind. Es wird angenommen, dass binäre supermassive Schwarze Löcher ein relativ häufiges Produkt der Wechselwirkung und Verschmelzung von Galaxien im typischen Verlauf von sind ihre Entwicklung. Diese Art von Objekten kann Gravitationswellen mit sowohl Frequenzen als auch Amplituden erzeugen, die möglicherweise in Reichweite der Raumastrometrie liegen. Darüber hinaus kann häufig davon ausgegangen werden, dass die Gravitationswellen dieser Objekte während des gesamten Beobachtungszeitraums von mehreren Jahren eine nahezu konstante Frequenz und Amplitude aufweisen. “
Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass beim Durchsuchen der Gaia-Daten zusätzliche GW-Signale angezeigt werden. Zum einen erkennen Moore und seine Kollegen an, dass Wellen bei diesen extrem niedrigen Frequenzen zu schwach sein könnten, als dass selbst Gaia sie erkennen könnte. Darüber hinaus müssen Forscher in der Lage sein, zwischen GWs und widersprüchlichen Signalen zu unterscheiden, die sich aus Änderungen in der Ausrichtung des Raumfahrzeugs ergeben - was keine leichte Herausforderung ist!
Dennoch besteht die Hoffnung, dass Missionen wie Gaia GWs aufdecken können, die für bodengestützte interferometrische Detektoren wie LIGO und Advanced Virgo nicht leicht sichtbar sind. Solche Detektoren unterliegen atmosphärischen Effekten (wie Brechung), die verhindern, dass sie extrem niederfrequente Wellen sehen - zum Beispiel die Urwellen, die während der Inflationsepoche des Urknalls erzeugt wurden.
In diesem Sinne ist die Gravitationswellenforschung der Exoplanetenforschung und vielen anderen Zweigen der Astronomie nicht unähnlich. Um die verborgenen Edelsteine zu finden, müssen Observatorien möglicherweise in den Weltraum fliegen, um atmosphärische Störungen zu beseitigen und ihre Empfindlichkeit zu erhöhen. Es ist dann möglich, dass andere Weltraumteleskope für die GW-Forschung umgerüstet werden und dass GW-Detektoren der nächsten Generation an Bord von Raumfahrzeugen montiert werden.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler von der ersten Detektion von Gravitationswellen zur Entwicklung neuer und besserer Methoden zu ihrer Detektion übergegangen. Bei dieser Geschwindigkeit wird es nicht lange dauern, bis Astronomen und Kosmologen Gravitationswellen in unsere kosmologischen Modelle einbeziehen können. Mit anderen Worten, sie werden zeigen können, welchen Einfluss diese Wellen auf die Geschichte und Entwicklung des Universums hatten.
