Eine neu entdeckte Gravitationswellen 'Brummen' könnte von den größten Schwarzen Löchern des Universums stammen.

Unter den Explosionen, Kollisionen und anderen gelegentlichen Knallen im Kosmos vermuten Wissenschaftler, dass eine ununterbrochene Hintergrundmusik spielt, die von kontinuierlichen Wellen im Raum-Zeit-Kontinuum erzeugt wird und kontinuierlich durch das Universum wäscht. Nach mehr als einem Jahrzehnt der Suche haben Wissenschaftler möglicherweise endlich dieses Hintergrundrauschen gehört.

Mehrere Forscherteams aus der ganzen Welt berichteten am 28. Juni erstmals von klaren Beweisen dieser Gravitationswellen. Im Gegensatz zu zuvor entdeckten Gravitationswellen haben diese neuen Wellen erstaunlich lange Rippeln - in der Größenordnung von Lichtjahren. Ihre wahrscheinliche Quelle: unzählige Paare von gigantischen Schwarzen Löchern, die den Raum-Zeit-Kessel umrühren, während sie einander umkreisen.

Wenn sich dieser Verdacht bestätigt, wäre das das erste Anzeichen dafür, dass Paare von monströsen Schwarzen Löchern mit Massen, die Milliarden Male größer sind als die der Sonne, zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen können.

Wenn die Gravitationswellen real sind und tatsächlich ein Signal von Supermassiven Schwarzen Lochpaaren sind, dann ist es "wunderbar", sagt Astrophysikerin Meg Urry von der Yale University. "Es ist extrem interessant, weil wir im Wesentlichen keine Anhaltspunkte dafür haben, was die massivsten Schwarzen Löcher tun."

Gravitationswellen werden durch beschleunigte, massive Objekte erzeugt. Wenn diese Wellen durch das Universum rasen, knittern sie den Stoff des Raum-Zeit-Gewebes, auf dem die Realität eingestickt ist. Im Jahr 2015 haben Wissenschaftler des Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, oder LIGO, zum ersten Mal Gravitationswellen entdeckt. Diese Wellen wurden durch Verschmelzungen von relativ winzigen Schwarzen Löchern erzeugt, die völlig unterschiedliche Objekte sind als die Supermassiven Schwarzen Löcher, die sich in den Zentren von Galaxien verstecken.

Während LIGO Gravitationswellen-Blitze erfasst, die nur Bruchteile einer Sekunde andauern, werden erwartet, dass umlaufende Supermassive Schwarze Löcher kontinuierlich über Millionen von Jahren Wellen aussenden und so das Universum mit ihrem ständigen Brummen übersäen. "Das ist etwas ganz Anderes, etwas ganz Neues", sagt LIGO-Forscher Daniel Holz, Astrophysiker an der University of Chicago. "Das ist beeindruckend."

In den Weiten des Universums vermischen und verschmelzen sich Galaxien regelmäßig. Dabei vermuteten die Wissenschaftler, dass ihre Supermassiven Schwarzen Löcher einander umkreisen und Gravitationswellen aussenden würden. Viele Paare von Schwarzen Löchern würden diesen orbitalen Tanz gleichzeitig in den vielen verschmelzenden Galaxien des Universums aufführen und so ihre Raum-Zeit-Wellen ins All senden.

"Die Erde stolpert einfach zufällig auf diesem Meer aus Gravitationswellen herum", sagt Astrophysikerin Maura McLaughlin von der West Virginia University in Morgantown und Mitglied der North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, oder NANOGrav.

Die Detektion dieses Durcheinanders von Gravitationswellen ist nicht einfach. Die Aufgabe erforderte es, die Milchstraße in einen Gravitationswellendetektor zu verwandeln, indem die Galaxie durch die zeitliche Abfolge des wie das Tickern einer Uhr gleichmäßig wiederholenden Pulsars getaktet wurde. Pulsare sind rasch rotierende Überreste von explodierten Sternen, die Radiowellenstrahlen aussenden, während sie sich drehen. Diese Strahlen streifen regelmäßig die Erde, wie die präzisen Ticks einer Uhr. Gravitationswellen, die den Raum zwischen den Pulsaren und der Erde strecken und quetschen, bewirken, dass die Ticks der Pulsare, die mit verschiedenen Radioteleskopen auf der ganzen Welt beobachtet werden, vorzeitig oder verspätet erfolgen.

Um sicherzustellen, dass sie die Gravitationswellen und nicht uninteressante Störungen beobachteten, suchten die Forscher nach einer speziellen Art von Korrelation zwischen verschiedenen Pulsaren. Pulsare, die sich nahe am Himmel befinden, sollten ähnliche zeitliche Verschiebungen aufweisen, aber Pulsare, die im rechten Winkel zueinander stehen, sollten gegenläufige Verschiebungen beobachten: Die Blitze eines Pulsars kommen frühzeitig, während die des anderen spät kommen.

Dieses überzeugende Merkmal wurde schließlich von NANOGrav-Forschern am 28. Juni in der Astrophysical Journal Letters beobachtet. "Es gibt nichts in der Natur, das dies nachahmen kann", sagt Chiara Mingarelli, Astrophysikerin an der Yale University und NANOGrav-Forscherin. "Nur Gravitationswellen können das tun." Ihr Ergebnis basierte auf 15 Jahren, in denen Dutzende von Pulsaren überwacht wurden.

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"Es ist wirklich inspirierend", sagt Astrophysiker Michael Keith von der University of Manchester in England, ein Mitglied des European Pulsar Timing Array, oder EPTA.

Das EPTA-Team hat noch länger auf Pulsare gestarrt - ein Vierteljahrhundert. "Wir waren an dem Punkt angelangt, an dem wir dachten, dass das Signal vielleicht so schwach ist, dass wir es niemals finden werden", sagt Keith. Aber die deutliche Korrelation zwischen Pulsaren war auch in den EPTA-Ergebnissen erkennbar, die am 28. Juni in Astronomy and Astrophysics mit Forschern des Indian Pulsar Timing Array veröffentlicht wurden.

Some scientists have thought that supermassive black holes in merging galaxies would never draw close enough to coalesce with one another, or to emit gravitational waves like the ones observed. “It’s actually been a sore spot for our field for many years,” Mingarelli says.

In contrast, the gravitational wave signal seems to be stronger than expected (SN: 6/3/23). That suggests, “there are many black holes, they merge happily, and black holes also grow [to large masses] very happily,” says astrophysicist Marta Volonteri of Institut d’Astrophysique de Paris, who was not involved with the new research.

Future work could reveal more about supermassive black holes and their environs, says astronomer Ryan Shannon of Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia.

“Understanding better the demographics of these supermassive black holes is going to help us understand how galaxies form and evolve,” says Shannon, a researcher on the Parkes Pulsar Timing Array in Australia, which also reported independent results in the Astrophysical Journal Letters and Publications of the Astronomical Society of Australia. A shorter-term effort, from the Chinese Pulsar Timing Array, reported its results in Research in Astronomy and Astrophysics.

The teams stopped just short of declaring an ironclad detection of the background of gravitational waves, rather presenting their results as strong evidence for the ripples. Taken individually, their results don’t quite meet the most stringent standards for statistical significance set by physicists. In future work, the teams plan to combine their data, in hopes of further solidifying the detection.

And although supermassive black holes are the simplest explanation for the waves’ origins, researchers still can’t rule out a more exotic provenance. For example, the ripples might have arisen from inflation, the period just after the Big Bang when the universe is thought to have expanded incredibly rapidly (SN: 7/13/12).

Whatever the source, the future study of these gravitational waves is bound to have ripple effects.

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