Astrophysiker schlagen einen neuen Weg vor, die kosmische Expansion zu messen: gelinschte Gravitationswellen

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von Sonia Fernandez, University of California - Santa Barbara

Das Universum expandiert; dafür haben wir seit etwa einem Jahrhundert Beweise. Aber wie schnell sich Himmelsobjekte voneinander entfernen, ist immer noch umstritten.

Es ist keine kleine Leistung, die Geschwindigkeit zu messen, mit der Objekte über große Entfernungen voneinander weg bewegen. Seit der Entdeckung der kosmischen Expansion wurde ihre Geschwindigkeit mit zunehmender Genauigkeit gemessen und immer wieder neu gemessen, wobei einige der neuesten Werte von 67,4 bis 76,5 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec reichen, was die Rückzugsgeschwindigkeit (in Kilometern pro Sekunde) in Beziehung zur Entfernung (in Megaparsec) setzt.

Der Unterschied zwischen den verschiedenen Messungen der kosmischen Expansion wird als 'Hubble-Spannung' bezeichnet. Einige bezeichnen es als Krise in der Kosmologie. Aber für den theoretischen Astrophysiker Tejaswi Venumadhav Nerella von der UC Santa Barbara und seine Kollegen am Tata Institute of Fundamental Research in Bangalore, Indien, sowie am Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics in Pune, Indien, ist es eine aufregende Zeit.

Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015 wurden die Detektoren erheblich verbessert und stehen kurz davor, in den kommenden Jahren eine reiche Ausbeute von Signalen zu liefern. Nerella und seine Kollegen haben eine Methode entwickelt, um diese Signale zur Messung der Expansion des Universums zu nutzen und vielleicht zur endgültigen Klärung der Debatte beizutragen. 'Ein wichtiges wissenschaftliches Ziel zukünftiger Detektoren besteht darin, einen umfassenden Katalog von Gravitationswellen-Ereignissen bereitzustellen, und dies wird eine völlig neue Nutzung des bemerkenswerten Datensatzes sein', sagt Nerella, Co-Autor einer in Physical Review Letters veröffentlichten Studie.

Messungen der kosmischen Expansionsrate lassen sich auf Geschwindigkeit und Entfernung reduzieren. Astronomen verwenden zwei Arten von Methoden zur Messung von Entfernungen: Die erste Methode beginnt mit Objekten mit einer bekannten Länge ('Standard-Richtlinien') und betrachtet, wie groß sie am Himmel erscheinen. Diese 'Objekte' sind Merkmale der kosmischen Hintergrundstrahlung oder der Verteilung von Galaxien im Universum.

Eine zweite Klasse von Methoden beginnt mit Objekten bekannter Leuchtkraft ('Standard-Kerzen') und misst ihre Entfernungen von der Erde anhand ihrer scheinbaren Helligkeit. Diese Entfernungen sind mit denen weiter entfernter heller Objekte und so weiter verbunden, wodurch eine Kette von Messverfahren entsteht, die oft als die 'kosmische Entfernungsskala' bezeichnet wird. Übrigens können auch Gravitationswellen selbst helfen, die kosmische Expansion zu messen, da die bei der Kollision von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern freigesetzte Energie zur Abschätzung der Entfernung zu diesen Objekten verwendet werden kann.

Die Methode, die Nerella und seine Mitautoren vorschlagen, gehört zur zweiten Klasse, verwendet aber Gravitationslinsen. Dies ist ein Phänomen, das auftritt, wenn massive Objekte den Raum krümmen und Wellen aller Art verbiegen, die sich in der Nähe der Objekte bewegen. In seltenen Fällen kann die Linsenwirkung mehrere Kopien desselben Gravitationswellen-Signals erzeugen, die zu unterschiedlichen Zeiten die Erde erreichen - anhand der Verzögerungen zwischen den Signalen für eine Population mehrfach abgebildeter Ereignisse kann die Expansionsrate des Universums berechnet werden, sagen die Forscher.

'Wir verstehen sehr gut, wie empfindlich Gravitationswellendetektoren sind, und es gibt keine astrophysikalischen Quellen von Verwirrung, daher können wir ordnungsgemäß berücksichtigen, was in unseren Katalog an Ereignissen gelangt', sagt Nerella. 'Die neue Methode hat Fehlerquellen, die denjenigen der bestehenden Methoden komplementär sind, was sie zu einem guten Diskriminator macht.'

Die Quellen dieser Signale wären binäre Schwarze Löcher: Systeme aus zwei Schwarzen Löchern, die sich umkreisen und schließlich verschmelzen, wobei massive Mengen an Energie in Form von Gravitationswellen freigesetzt werden. Bisher haben wir keine stark linsenartigen Beispiele für diese Signale entdeckt, aber man erwartet, dass die nächste Generation von bodengebundenen Detektoren das erforderliche Maß an Empfindlichkeit aufweisen wird.

'Wir erwarten die erste Beobachtung von gelinsenden Gravitationswellen in den nächsten Jahren', sagt Studien-Mitautor Parameswaran Ajith. Darüber hinaus sollten diese zukünftigen Detektoren weiter ins All schauen und schwächere Signale erfassen können.

The authors expect these advanced detectors to start their search for merging black holes in the next decade. They anticipate recording signals from a few million black hole pairs, a small fraction (about 10,000) of which will appear multiple times in the same detector due to gravitational lensing. The distribution of the delays between these repeat appearances encodes the Hubble expansion rate.

According to lead author Souvik Jana, unlike other methods of measurement, this method does not rely on knowing the exact locations of, or the distances to, these binary black holes. The only requirement is to accurately identify a sufficiently large number of these lensed signals. The researchers add that observations of lensed gravitational waves can even provide clues on other cosmological questions, such as the nature of the invisible dark matter that makes up much of the energy content of the universe.