Rauschende Raumzeit

Mehrere internationale Forschungsteams versuchen seit vielen Jahren, solche Signale der Schwerkraft aufzuspüren: die Pulsar Timing Arrays (PTAs). Den Begriff prägte Donald Backer. Er hat im Oktober 2007 NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) mitbegründet. Die Idee zu PTAs hatte Steven Detweiler von der Yale University in New Haven, Connecticut, schon 1979, als noch gar keine Millisekunden-Pulsare bekannt waren. Und bereits 1977 formulierte Mikhail V. Sazhin vom Sternberg-Institut für Astronomie in Moskau das Grundprinzip, hielt es aber für praktisch nicht realisierbar.

Rotes Rauschen und die Relativitätstheorie

Die Messungen und Datenanalysen sind diffizil. Dazu muss das Baryzentrum des Sonnensystems, quasi sein Schwerpunkt innerhalb des galaktischen und sogar kosmischen Koordinatensystems, auf 100 Meter genau definiert und berücksichtigt werden!

Mittlerweile beobachten sechs große regionale PTAs unabhängig voneinander mit den empfindlichsten Radioteleskopen weltweit regelmäßig, häufig wöchentlich, jeweils bis zu 68 geeignete Millisekunden-Pulsare (insgesamt 85, weitere 30 werden nun zusätzlich anvisiert). NANOGrav nutzt das Green Bank Telescope und das Very Large Array (sowie das Arecibo-Teleskop bis zu seinem Kollaps 2020). Das 2004 initiierte Parkes PTA basiert auf dem 64-Meter-Parkes-Teleskop in Australien. Das 2006 gestartete European PTA verwendet Observatorien in Frankreich, England, den Niederlanden, auf Sardinien sowie das 100-Meter-Teleskop in Effelsberg 30 Kilometer südwestlich von Bonn. Das Indian PTA nutzt das Giant Meter Wave Radio Telescope aus 30 45-Meter-Antennen 80 Kilometer nördlich von Pune, das South Africa PTA die 64 13,5-Meter-Parabolantennen des MeerKAT-Radioteleskops und das Chinesische PTA das FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope). NANOGrav, EPTA, PPTA und InPTA sind Mitglieder des International PTA (IPTA) für gemeinsame Standards und Datenauswertungen; SAPTA und CPTA sind keine Mitglieder, aber assoziierte Beobachter.

Ab 2018 fand NANOGrav erste Hinweise auf ein als rotes Rauschen bezeichnetes statistisches Phänomen. Es hat bei niedrigen Frequenzen stärkere Amplituden als bei hohen. Für die Pulsar-Daten bedeutet dies, dass die Ankunftszeiten ihrer Pulse langsam variierende Abweichungen zeigen, die über Jahre anwachsen. (Ein zufälliges weißes Rauschen wäre hingegen unkorreliert und frequenzunabhängig.) 2020 und 2021 berichteten NANOGrav sowie EPTA und PPTA von stärkeren Indizien für das rote Rauschen (Signifikanz bis 1 zu 10.000).

Freilich können es einzelne Pulsare auch aus anderen Gründen aufweisen, etwa wegen ihrer Magnetosphären oder durch Effekte des interstellaren Mediums. Deshalb ist dieses Rauschen nur eine notwendige, keine hinreichende Bedingung für den Nachweis eines Gravitationswellen-Hintergrunds. Dieser erzeugt signifikante, korrelierte Signale des roten Rauschens vieler Pulsare, denn er verzerrt den Raum zwischen der Erde und vielen Pulsaren gleichzeitig, aber nicht auf identische Weise. Abhängig vom Winkel zwischen zwei Pulsaren sind die Korrelationen unterschiedlich stark. Die Pulsfolge von Pulsaren, die sich nahe beieinander am Himmel befinden, werden zeitlich ähnlich verzerrt, weiter voneinander entfernte weniger, und bei einem Winkel von 90 Grad gibt es ein Minimum. Hier sind die Pulsabfolgen sogar antikorreliert, also leicht gegensinnig: Wenn sich bei dem einen Pulsar die Ankunftszeiten etwas verzögern, tendieren sie beim anderen geringfügig dazu, zu früh zu kommen – und umgekehrt.

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt eine einzigartige, charakteristische Korrelationskurve. Diese haben Ron W. Hellings and George S. Downs vom Jet Propulsion Laboratory im kalifornischen Pasadena erstmals 1983 beschrieben. Die Hellings-Downs-Kurve ist das Ensemble-Durchschnittsmuster der Korrelationen für das Signal eines statistisch isotropen, Gauß-verteilten, nicht polarisierten, stationären Gravitationswellen-Hintergrunds – gewissermaßen ein spezifischer kosmischer Fingerabdruck, anhand dessen Astrophysiker dem Täter auf die Schliche kommen können.

Das alles klingt so abseitig wie kompliziert – und ist es auch. Doch wenn Hellings und Downs Recht haben, würden die spezifischen Korrelationen zwischen den Variationen der Puls-Ankunftszeiten mehrerer Millisekunden-Pulsare ein im Rauschen eingebettetes Gravitationswellen-Signal offenbaren. Und das lässt sich im Prinzip mit vielen paarweisen Messungen der Pulsare erkennen. Die Frequenzen solcher Gravitationswellen liegen im Nanohertz-Bereich (um 10^–9 bis 10^–7 Hertz) – weit unterhalb der 10 bis 10.000 Hertz, für die LIGO und Virgo empfindlich sind. Die Wellenlängen betragen also teilweise Lichtjahre.

An der Grenze der Entdeckung

Die inzwischen sehr guten Daten sind miteinander verträglich und wurden im Lauf der Jahre immer präziser. Das NANOGrav-Team publizierte nach über zwölf Jahren Messzeit bereits 2020 vielversprechende Resultate von 45 Pulsaren. Im Juni 2023 wurden weitere Analysen von 67 Pulsaren veröffentlicht, gleichzeitig auch von den anderen PTAs.

„Ich weiß noch lebhaft, wie ich auf dem Sofa im Wohnzimmer saß, das mir als Home-Office diente, bis ich einen Abstellraum für denselben Zweck nutzte, und mit Sarah Vigeland von der University of Wisconsin-Milwaukee Nachrichten auf Slack austauschte“, erinnert sich Stephen R. Taylor von der Vanderbilt University in Nashville, Tennessee, der mit der Astrophysikerin die Auswertung der 15-Jahres-Daten von NANOGrav leitete. Damals grassierte die Corona-Pandemie. „Es war aufregend, diese Nachweisstatistiken und rekonstruierten Korrelationskurven auszuarbeiten. Es stellte sich fast ein Gefühl der Dissoziation ein, als wir die historische Bedeutung der Arbeit erkannten, zu der wir beitragen durften.“

Inzwischen sind die Resultate sehr aussagekräftig. Sie weisen bei den verschiedenen PTA-Datenanalysen nunmehr mit einer statistischen Signifikanz von meist drei bis mehr als vier Sigma auf einen gleichförmigen, stochastischen Hintergrund an Gravitationswellen hin, genau wie von der Hellings-Downs-Kurve beschrieben. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines rein zufälligen Signals so gering ist, dass es nur etwa einmal in 1.000 Jahren auftauchen sollte, vergleicht es Chiara Mingarelli von der Yale University, die zum NANOGrav-Team gehört. „Das würde mir für ein Nachweis schon genügen, aber der wissenschaftliche Standard ist einmal in einer Jahrmillion. Und diese Güte werden wir erreichen.“

Zurzeit arbeiten die verschiedenen PTA-Teams an noch größeren Datensätzen, einige auch an einer neuen IPTA-Datenauswertung auf Grundlage von über 100 Pulsaren. Wenn der Trend anhält und sogar eine kombinierte Auswertung der verschiedenen Observatorien gelingt, wird das Signal noch dieses Jahr oder in diesem Jahrzehnt fünf Sigma überschreiten und offiziell als entdeckt gelten. Das ist eine enorme Leistung, weil die Positionen der teils über 10.000 Lichtjahre entfernten Pulsare durch die Raumzeit-Schwingungen um nur etwa 100 Meter pro Jahrzehnt schwanken!

Hintergründige Wellenquellen

Der Ursprung des in seiner Amplitude unerwartet starken Gravitationswellen-Hintergrunds ist nicht eindeutig geklärt. Die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher von Milliarden Sonnenmassen in Distanzen von vielen Milliarden Lichtjahren ist die seit Jahrzehnten vorausgesagte und wahrscheinlichste Ursache. Es wäre wie bei einem kosmischen Orchester, gespielt von Myriaden unterschiedlicher Paare: Deren verschiedene Töne würden dann alle von überall auf einmal zu hören sein. Wenn dies zutrifft, dann wird der Hintergrund dominiert von ähnlich gewichtigen Doppelsystemen mit einer Gesamtmasse von 10⁹ bis über 10¹⁰ Sonnenmassen und Rotverschiebungen zwischen 0,2 und 0,9, was Distanzen von drei bis zehn Milliarden Lichtjahren entspricht.

Diskutiert werden auch Kollisionen von primordialen Schwarzen Löchern sowie brachiale Ereignisse in den ersten Sekundenbruchteilen des Universums. Darunter sind sogenannte kosmische Phasenübergänge, falls diese mit der Differenzierung der Naturkräfte und Elementarteilchen einhergingen. Das kann zu Verwerfungen der Raumzeit selbst führen, etwa in Form von Kosmischen Strings. Sie würden peitschenartig das All zerfurchen. Überdies könnten im Gravitationswellen-Hintergrund Informationen über die Natur der Dunklen Materie stecken, die heute die Hauptmasse im Universum ausmachen soll.

Wenn die Messungen genauer werden, lässt sich zwischen den verschiedenen Hypothesen entscheiden. So müsste der Gravitationswellen-Hintergrund mehr und stärkere Unregelmäßigkeiten am Himmel zeigen, falls er ganz oder hauptsächlich von supermassereichen Schwarzen Löchern stammt. Schwache Indizien für solche Anisotropien gibt es in den Daten bereits. Auch das Polarisationsmuster und das Frequenzspektrum des Hintergrunds würden entsprechende Unterschiede aufweisen. Bessere Daten werden es in Verbindung mit optischen Beobachtungen sogar ermöglichen, in den nächsten Dekaden einzelne näher gelegene Galaxien mit engen Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher als Wellenquellen aufzuspüren.

Noch spektakulärer wäre es, wenn zumindest ein Teil des Hintergrunds von Kosmischen Strings oder Schwarzen Löchern aus dem Urknall verursacht wird. Dies würde auf bislang unbekannte physikalische Gesetzmäßigkeiten verweisen. Wahrscheinlich hält das Weltall noch viele Überraschungen bereit. ■