MEERKAT
Eindrucksvoller Blick auf den Gravitationswellenhimmel
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
3. Dezember 2024

Ein internationales Forschungsteam hat jetzt die die bislang aussagekräftigste Karte des Gravitationswellenhimmels vorgestellt. Es hatte dazu Pulsarbeobachtungen ausgewertet, die über einen Zeitraum von 4,5 Jahren mit dem MeerKAT-Radioteleskop - einem der leistungsstärksten Radioteleskope der Welt - aufgenommen wurden.

Gravitationswellenkarte (Ausschnitt) des gesamten Himmels aus dem über 4,5 Jahre erhaltenen MeerKAT-Pulsar-Timing-Array-Datensatz. Die weißen Sterne markieren die Standorte der beobachteten Pulsare am Himmel. Bild: K. Grunthal et al., 2024 [Großansicht]

Ein Pulsar Timing Array nutzt die äußerst regelmäßigen Pulse von sogenannten Pulsaren (pulsierenden Neutronensternen), um schwache Abweichungen von der Regelmäßigkeit der Pulse aufzuspüren, die durch Gravitationswellen verursacht werden - winzige Wellen im Gewebe der Raumzeit. Im Rahmen einer internationalen Kollaboration von Radioastronomen aus Australien, Deutschland, dem Vereinigten Königreich, Südafrika, den Niederlanden, Italien und Frankreich wurde mit dem MeerKAT Pulsar Timing Array (MPTA) ein Gravitationswellendetektor von der Größe einer Galaxie geschaffen, indem die regelmäßigen Pulse von Pulsaren mit dem MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika auf Nanosekunden genau überwacht werden.

Die mit Pulsar Timing Arrays beobachteten Gravitationswellen werden von einigen der stärksten Quellen des Universums verursacht; hierzu zählen supermassereiche Schwarze Löcher sowie Ereignisse kurz nach dem Urknall. Matt Miles, Forscher an der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien, und einer der Leiter der Datenveröffentlichung auf der Basis der MPTA-Beobachtungen, erklärt: "Die Summe aller dieser Gravitationswellen, die sich im Universum ausbreiten, bildet einen Gravitationswellenhintergrund, ein kosmisches Summen, das wertvolle Hinweise auf die verborgenen Prozesse liefert, die unser Universum formen."

Die Kartierung der Gravitationswellen am gesamten Himmel ermöglicht die Suche nach Gebieten, aus denen verhältnismäßig viele Gravitationswellen gemessen werden, sogenannten "Hot Spots". Ein solcher Hot Spot kann durch ein einzelnes - aber besonders auffälliges - binäres supermassereiches Schwarzes Loch verursacht werden und grundlegende Erkenntnisse über den Ursprung des Gravitationswellenhintergrunds liefern. Auf der Grundlage der qualitativ hochwertigen Daten des MeerKAT-Radioteleskops, die um einen Datensatz ergänzt wurden, der die bisher größte Anzahl an gemeinsam verwendeten Pulsaren beinhaltet, veröffentlichte eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Kathrin Grunthal, Doktorandin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die aktuell beste Karte des Gravitationswellenhimmels. "Indem wir nach Variationen in den Gravitationswellen am Himmel suchen, machen wir uns gleichzeitig auch auf die Suche nach dem Fingerabdruck der astrophysikalischen Prozesse, die hinter dem Gravitationswellensignal stecken", so Grunthal.

Während die meisten Teile des Himmels in der Analyse keine Anzeichen von Anisotropie zeigen, entdeckte das Forschungsteam eine kleine Anzahl interessanter Merkmale, die in zukünftigen Arbeiten weiter untersucht werden sollen. Rowina Nathan, Mitverfasserin der Anisotropie-Studie, kommentiert: "Die Kartierung des Gravitationswellenhintergrunds liefert uns ein vollständigeres Bild des Universums." Diese Karte des Gravitationswellenhimmels baut auf dem deutlichen Hinweis auf ein Gravitationswellen-Hintergrundsignal im MPTA-Datensatz auf. "Bei früheren Karten wurde davon ausgegangen, dass es kein Signal gibt. Jetzt, da wir Beweise für Gravitationswellen haben, ändern sich die Berechnungen dieser Karten. Unsere Karte ist die erste Timing-Array-Karte, die dies berücksichtigt", kommentiert David Champion, Astronom am MPIfR.

Im Vergleich zu ähnlichen globalen PTA-Projekten wie dem European Pulsar Timing Array (das zusammen mit weiteren internationalen Kollaboration 2023 den ersten Hinweis für diese niederfrequenten Gravitationswellen veröffentlichte), benötigte das MeerKAT Pulsar Timing Array nur ein Drittel der Beobachtungszeit, um eine vergleichbare Empfindlichkeit zu erreichen. "Dies ist ein Beweis für die herausragenden Fähigkeiten des MeerKAT-Radioteleskops, an dem unser Institut maßgeblich beteiligt ist, indem es Hardware, Software und wissenschaftliche Arbeit für eine ganze Reihe von Projekten zur Verfügung stellt", sagt MPIfR-Direktor Michael Kramer. Die Arbeit der MeerKAT-Pulsar-Timing-Array-Kollaboration sei, so die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ein bedeutender und zukunftsweisender Schritt in der radioastronomischen Gravitationswellenforschung.

MeerKAT ist ein Vorläufer für das Square Kilometre Array (SKA) und wird schließlich in das SKA-Mid-Teleskop des SKA-Observatoriums integriert werden, das sich derzeit im Bau befindet. Die Ergebnisse der MeerKAT-Pulsar-Timing-Array-Kollaboration zeigen die entscheidende Rolle, die diese Radioteleskope der nächsten Generation bei den globalen Bemühungen zur Erforschung des Universums der niederfrequenten Gravitationswellen spielen werden. Die Kollaboration präsentiert ihre neuesten Ergebnisse in einer Reihe von drei Artikeln, die in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurden.