Es war der wissenschaftliche Durchbruch 2016: Mit einem speziellen Detektor (LIGO) konnte ein internationales Forschungsteam 2015 erstmals die Existenz von Gravitationswellen nachweisen – knapp hundert Jahre nachdem Albert Einstein die Existenz der Krümmungen in der Raumzeit vorhergesagt hatte. Die gemessene Störung war winzig – kleiner als ein Atomkern – und stammte von der Kollision zweier weit entfernter Schwarzer Löcher. Mittlerweile wurde der Nachweis mit anderen auf der Erde positionierten Detektoren vielfach wiederholt.
Auch das internationale Forschungskonsortium North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) hält seit mittlerweile 15 Jahren Ausschau nach Krümmungen in der Raumzeit. Gesucht wird in diesem Fall aber nach niederfrequenten Gravitationswellen. Messungen direkt auf der Erde wie bei hochfrequenten Wellen sind schwierig, denn eine einzelne Welle kann Jahrzehnte brauchen, bis sie durchzieht – die Wellenlänge beträgt bis zu zehn Lichtjahre.
Niederfrequente Gravitationswellen
Daher haben die mehr als 190 Forscher und Forscherinnen des Konsortiums eine indirekte Methode für den Nachweis gewählt. Als Detektoren verwendeten sie Pulsare. Die ausgebrannten Neutronensterne haben besondere Eigenschaften: Sie rotieren extrem schnell – mitunter Hunderte Male pro Sekunde – und senden dabei äußerst regelmäßig Radiowellen aus, wie eine „kosmische“ Uhr oder ein Metronom.
Forschervideo zu Gravitationswellenhintergrund
Wie der Nachweis der niederfrequenten Wellen gelang
Mit verschiedenen Teleskopen hat das Team Daten von 67 Pulsaren bzw. ihren rhythmischen Pulsen gesammelt und dabei nach kleinen Abweichungen in der Regelmäßigkeit gesucht. Denn diese können von Gravitationswellen stammen, die zwischen der Erde und den abgestorbenen Neutronensternen durchlaufen. 2020 entdeckten die Astronomen und Astronominnen erste auffällige Signale.
Nun hat das Team nach eigenen Angaben genug Belege dafür gesammelt, dass die Abweichungen im Milliardstel Sekundenbereich tatsächlich von extrem niederfrequenten Gravitationswellen stammen müssen. Die Ergebnisse werden nun in mehreren Studien im Fachmagazin „Astrophysical Journal Letters“. Es handle sich um den ersten Beleg für den Gravitationswellenhintergrund – eine Art kollektives kosmisches Rauschen aus Gravitationswellen, das das gesamte Universum durchzieht.
Schwarze Löcher und Urknall
Die wahrscheinlichste Quelle des Gravitationswellenhintergrunds sind laut den Studienautoren und -autorinnen Paare von Schwarzen Löchern, die durch das Verschmelzen zweier Galaxien in einer Art Todesspirale miteinander verbunden sind und dabei niederfrequente Gravitationswellen aussenden.
Man nimmt an, dass das Hintergrundrauschen bzw. der Gravitationswellenhintergrund entsteht, wenn sich die Signale solcher gigantischen Paare überlagern. Angesichts der Stärke des gemessenen Signals, gehe man davon aus, dass es womöglich Hundertausende, vielleicht sogar Millionen solcher Paare geben könnte, heißt es in einer Aussendung zu den Studien.
Außerdem könnten auch Gravitationswellen des Urknalls einen Anteil am Gesamtsignal haben. Mit weiteren Beobachtungen will das Konsortium die einzelnen Teile der Wellen sowie die Quellen des „kosmischen Orchesters“ identifizieren.