In Februar 2016 , Wissenschaftler, die für die . arbeiten Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) machte den ersten Nachweis von Gravitationswellen . Seitdem fanden mehrere Entdeckungen statt, zum großen Teil dank verbesserter Instrumente und einer stärkeren Zusammenarbeit zwischen den Observatorien. Vorausschauend ist es möglich, dass Missionen, die nicht dafür ausgelegt sind, auch als Gravitationswellen-Detektoren „Mondlicht“ haben könnten.
Zum Beispiel die Raumsonde Gaia – das damit beschäftigt ist, die detaillierteste 3D-Karte der Milchstraße zu erstellen – könnte auch für die Gravitationswellenforschung von entscheidender Bedeutung sein. Das behauptete kürzlich ein Team von Astronomen der Universität Cambridge. Entsprechend ihr Studium , verfügt der Satellit Gaia über die notwendige Empfindlichkeit, um Gravitationswellen mit ultraniedriger Frequenz zu untersuchen, die durch Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher erzeugt werden.
Die Studie mit dem Titel „ Astrometrische Suchmethode für individuell auflösbare Gravitationswellenquellen mit Gaia “, erschien vor kurzem in derPhysische Überprüfungsschreiben. Unter der Leitung von Christopher J. Moore, einem theoretischen Physiker der Zentrum für Mathematische Wissenschaften der University of Cambridge , umfasste das Team Mitglieder von Cambridges Institut für Astronomie , Cavendish-Labor , und Kavli-Institut für Kosmologie .
Künstlerische Illustration zweier verschmelzender Neutronensterne, die eine Quelle von Gravitationswellen sind. Kredit: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Um es noch einmal zusammenzufassen: Gravitationswellen (GWs) sind Wellen in der Raumzeit, die durch heftige Ereignisse wie Verschmelzungen schwarzer Löcher, Kollisionen zwischen Neutronensternen und sogar den Urknall erzeugt werden. Ursprünglich von Einstein vorhergesagt Allgemeine Relativitätstheorie , Observatorien wie LIGO und Advanced Virgo erkennen diese Wellen, indem sie messen, wie sich die Raumzeit als Reaktion auf GWs biegt und zusammendrückt, die die Erde passieren.
Vorbeiziehende GWs würden jedoch auch dazu führen, dass die Erde in Bezug auf die Sterne in ihrer Position schwingt. Als Ergebnis könnte ein Weltraumteleskop im Orbit (wie Gaia) dies aufgreifen, indem es eine vorübergehende Verschiebung der Position entfernter Sterne feststellt. Das 2013 ins Leben gerufene Gaia-Observatorium hat die letzten Jahre damit verbracht, hochpräzise Beobachtungen der Positionen von Sternen in unserer Galaxie (auch Astrometrie genannt) durchzuführen.
In dieser Hinsicht würde Gaia nach kleinen Verschiebungen in dem massiven Sternenfeld suchen, das es überwacht, um festzustellen, ob Gravitationswellen durch die Nachbarschaft der Erde gegangen sind. Um zu untersuchen, ob Gaia der Aufgabe gewachsen war oder nicht, führten Moore und seine Kollegen Berechnungen durch, um festzustellen, ob das Weltraumteleskop Gaia die notwendige Empfindlichkeit hat, um ultraniederfrequente GWs zu erkennen.
Dazu simulierten Moore und seine Kollegen Gravitationswellen, die von einem binären supermassiven Schwarzen Loch erzeugt werden – also von zwei SMBHs, die sich umkreisen. Sie fanden heraus, dass durch Komprimieren der Datensätze um einen Faktor von mehr als 106(mit jeweils 100.000 Sternen statt einer Milliarde) könnten GWs aus Gaia-Daten mit einem Empfindlichkeitsverlust von nur 1 % wiederhergestellt werden.
Abbildung, die ein Gaia-Sternfeld zeigt, wobei rote und schwarze Linien die induzierten scheinbaren Bewegungen der Sterne innerhalb einer Hemisphäre anzeigen. Bildnachweis: Kavli Institute for Cosmology, Cambridge
Diese Methode würde der in verwendeten ähnlich sein Pulsar-Timing-Arrays , wo eine Reihe von Millisekundenpulsaren untersucht werden, um festzustellen, ob Gravitationswellen die Frequenz ihrer Pulse verändern. In diesem Fall werden die Sterne jedoch überwacht, um zu sehen, ob sie mit einem charakteristischen Muster schwingen, anstatt zu pulsieren. Durch die Betrachtung eines Feldes von 100.000 Sternen gleichzeitig könnten die Forscher induzierte scheinbare Bewegungen erkennen (siehe Abbildung oben).
Aus diesem Grund wird die vollständige Veröffentlichung der Gaia-Daten (geplant für Anfang der 2020er Jahre) wahrscheinlich eine große Chance für diejenigen sein, die nach GW-Signalen suchen. Wie Moore in a . erklärteAPS Physik Pressemitteilung :
„Gaia wird es erstmals realistisch machen, diesen Effekt zu messen. 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 etwas war, das Forscher erkannten, als Gaia noch in der Entwicklung war. Einer dieser Personen war Sergei A. Klioner, ein Forscher der Lorhrmann-Sternwarte und Leiter des Gaia-Gruppe an der TU Dresden . Wie er in seiner Studie aus dem Jahr 2017 angab: „ Gaia-ähnliche Astrometrie und Gravitationswellen “ konnte Gaia GWs erkennen, die durch die Fusion von SMBHs Jahre nach dem Ereignis verursacht wurden:
„Es ist klar, dass supermassive binäre Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien die vielversprechendsten Quellen von Gravitationswellen für die astrometrische Detektion sind… ihre Entwicklung. Diese Art von Objekten kann Gravitationswellen mit Frequenzen und Amplituden erzeugen, die möglicherweise in Reichweite der Weltraumastrometrie liegen. Außerdem kann man davon ausgehen, dass die Gravitationswellen dieser Objekte während des gesamten Beobachtungszeitraums von mehreren Jahren eine nahezu konstante Frequenz und Amplitude aufweisen.“
Künstlerische Darstellung von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern, die als Quelle von Gravitationswellen gelten. Bildnachweis: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS
Aber natürlich gibt es keine Garantie dafür, dass das Durchsuchen der Gaia-Daten zusätzliche GW-Signale aufdeckt. Zum einen erkennen Moore und seine Kollegen an, dass Wellen bei diesen ultraniedrigen Frequenzen selbst für Gaia zu schwach sein könnten, um sie zu erkennen. Darüber hinaus müssen die Forscher in der Lage sein, zwischen GWs und widersprüchlichen Signalen zu unterscheiden, die sich aus einer Änderung der Ausrichtung des Raumfahrzeugs ergeben – keine leichte Herausforderung!
Dennoch besteht die Hoffnung, dass Missionen wie Gaia in der Lage sein werden, GWs aufzudecken, die für bodengestützte interferometrische Detektoren wie LIGO und Advanced Virgo nicht leicht sichtbar sind. Solche Detektoren unterliegen atmosphärischen Effekten (wie Brechung), die sie daran hindern, extrem niederfrequente Wellen zu sehen – zum Beispiel die Urwellen, die während der inflationären Epoche des Urknalls erzeugt wurden.
In diesem Sinne ist die Gravitationswellenforschung der Exoplanetenforschung und vielen anderen Zweigen der Astronomie nicht unähnlich. Um die versteckten Edelsteine zu finden, müssen Observatorien möglicherweise ins All fliegen, um atmosphärische Störungen zu beseitigen und ihre Empfindlichkeit zu erhöhen. Möglicherweise werden dann andere Weltraumteleskope für die GW-Forschung umgerüstet und GW-Detektoren der nächsten Generation an Bord von Raumfahrzeugen montiert.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler von der ersten Detektion von Gravitationswellen dazu übergegangen, neue und bessere Methoden zu ihrer Detektion zu entwickeln. Bei diesem Tempo wird es nicht mehr lange dauern, bis Astronomen und Kosmologen Gravitationswellen in unsere kosmologischen Modelle einbeziehen können. Mit anderen Worten, sie werden in der Lage sein zu zeigen, welchen Einfluss diese Wellen auf die Geschichte und Entwicklung des Universums hatten.
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