{"id":22669,"date":"2016-02-15T13:15:52","date_gmt":"2016-02-15T12:15:52","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2016\/02\/15\/pulsar-timing-arrays-der-naechste-schritt-bei-der-detektion-von-gravitationswellen\/"},"modified":"2025-05-14T16:16:48","modified_gmt":"2025-05-14T14:16:48","slug":"pulsar-timing-arrays-der-naechste-schritt-bei-der-detektion-von-gravitationswellen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2016\/02\/15\/pulsar-timing-arrays-der-naechste-schritt-bei-der-detektion-von-gravitationswellen\/","title":{"rendered":"Pulsar Timing Arrays: Der n\u00e4chste Schritt bei der Detektion von Gravitationswellen?"},"content":{"rendered":"

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen<\/a> hat zurecht die Wissenschaftsnachrichten der letzten Tage dominiert. Es war ein absoluter Meilenstein und hat uns einen v\u00f6llig neuen Weg er\u00f6ffnet, das Universum zu verstehen und zu beobachten. Es war der erste Schritt hin zu einer Gravitationswellenastronomie<\/a> die das Potential hat, unseren Blick auf den Kosmos fundamental zu ver\u00e4ndern.<\/p>\n

\"K\u00fcnstlerische<\/a>
K\u00fcnstlerische Darstellung eines supermassereichen schwarzen Lochs (Bild: ESO\/M. Kornmesser<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Aber wenn man ein Ziel erreichen will, darf man nach dem ersten Schritt nicht stehen bleiben. Es war wichtig, endlich das erste Mal ein kosmisches Ereignis via Gravitationswellen beobachtet zu haben. Und es werden mit Sicherheit demn\u00e4chst weitere Beobachtungen folgen (LIGO hat ja nicht nur die eine, letzte Woche publizierte Gravitationswelle gesehen sondern auch noch weitere, die aber statistisch noch nicht so sehr abgesichert waren). Damit es aber eine echte Gravitationswellenastronomie geben kann, m\u00fcssen wir nicht nur mehrere Ereignisse beobachten bzw. in der Lage sein mit verschiedenen Detektoren kontinuierlich entsprechende Ereignisse zu beobachten. Wir m\u00fcssen vor allem unterschiedliche<\/i> Ph\u00e4nomene detektieren k\u00f6nnen.<\/p>\n

Die Gravitationswelle, die am 14. September 2015 vom LIGO-Observatorium nachgewiesen und am 11. Februar 2016 bekannt gegeben wurde, entstand ja als zwei mittelschwere schwarze L\u00f6cher von jeweils circa 30 Sonnenmassen miteinander kollidierten. Solche Ereignisse sind unter anderem deshalb so interessant, weil sich das Verhalten der schwarzen L\u00f6cher und die entstehende Gravitationswelle im Rahmen der Allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie ziemlich gut vorher sagen l\u00e4sst. Es war also auch vergleichsweise leicht, die Messung entsprechend zu interpretieren.<\/p>\n

Aber im Universum gibt es ja noch viel mehr Ereignisse, die Gravitationswellen ausl\u00f6sen und nicht alle davon lassen sich mit Observatorien vom LIGO-Typ beobachten. Dieses Bild zeigt das recht gut:<\/p>\n

\"Bild:<\/a>
Bild: NASA<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Man sieht hier die Frequenz bzw. Wellenl\u00e4nge der Gravitationswellen die von verschiedenen Ereignissen ausgel\u00f6st werden zusammen mit den Nachweismethoden die geeignet sind, sie zu beobachten. Ganz rechts findet man die terrestrischen Interferometer<\/i>, als genau die Observatorien zu denen auch LIGO geh\u00f6rt. Damit kann man Gravitationswellen beobachten, deren Schwingungsperiode im Millisekundenbereich liegt. Sie werden von (vergleichsweise) nahen und (vergleichsweise) kleinen schwarzen L\u00f6cher ausgel\u00f6st, aber auch von Supernova-Explosionen oder rotierenden Neutronensternen. <\/p>\n

Neben diesen kleinen schwarzen L\u00f6chern gibt es aber auch noch die supermassereichen schwarzen L\u00f6cher in den Zentren der Galaxien<\/a>. Wenn zwei Galaxien miteinander kollidieren, dann verschmelzen auch diese Giganten. Im Gegensatz zu den kleinen schwarzen L\u00f6chern deren Zusammensto\u00df LIGO beobachtet hat, k\u00f6nnen solche Objekte jeweils ein paar Millionen bis Milliarden Sonnenmassen haben. Wenn die miteinander kollidieren ist das ein Ereignis von einer ganz anderen Gr\u00f6\u00dfenordnung und ganz anderen Auswirkungen. Die Dynamik der zentralen schwarzen L\u00f6cher beeinflusst die gesamte Galaxie in der sie sich befinden; sie k\u00f6nnen daf\u00fcr sorgen, dass das Gas, das f\u00fcr die Sternentstehung ben\u00f6tigt wird, in den intergalaktischen Raum geschleudert wird bzw. auch f\u00fcr gesteigerte Sternentstehung sorgen; je nachdem wie sie sich verhalten. Es lohnt sich also, sie genau zu studieren und zu verstehen – aber mit LIGO und \u00e4hnlichen Observatorien werden solchen Beobachtungen nicht gelingen.<\/p>\n

Die Schwingungsperioden der entstehenden Gravitationswellen k\u00f6nnen hier Wochen oder gar Jahre dauern und dazu braucht man andere und vor allem gr\u00f6\u00dfere Detektoren. Man kann das Konzept von LIGO beispielsweise in den Weltraum verlagern. LIGO kann Gravitationswellen ja deswegen nachweisen, weil Laserlicht gleichzeitig in zwei unterschiedliche Richtungen abgestrahlt und nach einer Distanz von 4 Kilometern wieder reflektiert wird. Normalerweise k\u00e4men beide Lichtstrahlen wieder exakt zur gleichen Zeit zur\u00fcck zum Ausgangspunkt; sie haben ja auch exakt die gleiche Strecke zur\u00fcck gelegt und zwar mit exakt der gleichen Geschwindigkeit. Eine durch den Detektor laufende Gravitationswelle ver\u00e4ndert nun aber die L\u00e4nge dieser beiden Arme des Observatoriums auf unterschiedliche Art. Das Licht bewegt sich aber trotzdem immer noch exakt mit der gleichen (Licht)Geschwindigkeit und die beiden Strahlen kommen jetzt nicht mehr gleichzeitig an.<\/p>\n

\"K\u00fcnstlerische<\/a>
K\u00fcnstlerische Darstellung der eLISA-Satelliten (Bild: NASA<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Verl\u00e4ngert man die Strecke, die das Licht durchl\u00e4uft, erh\u00f6ht man auch die Genauigkeit des Detektors. Auf der Erde ist aber nicht beliebig viel Platz; es gibt \u00fcberall St\u00f6rungen und auch technisch w\u00e4re es schwierig, hunderte Kilometer lange Vakuumr\u00f6hren zu bauen in denen sich der Laserstrahl ungest\u00f6rt ausbreiten kann. Im All ist mehr als genug Platz und Vakuum und dort kann man Weltrauminterferometer<\/i> bauen. Das ist auch das Konzept der eLISA-Mission<\/a> der Europ\u00e4ischen Weltraumagentur. Statt einer L\u00e4nge von 4 Kilometern wird der Laserstrahl zwischen den im All positionierten Spiegeln ungef\u00e4hr eine Million Kilometer hin und her laufen k\u00f6nnen! Der Start der Mission ist aber erst f\u00fcr 2034 geplant und wer wei\u00df, ob da nicht doch noch etwas dazwischen kommt.<\/p>\n

Es gibt aber noch eine weitere Methoden, die nicht nur in der Lage w\u00e4re, die Kollision supermassereicher schwarzer L\u00f6cher zu detektieren sondern die auch im Prinzip jetzt schon einsatzbereit ist. Sie nennt sich Pulsar Timing Array<\/i> und erlaubt es uns, Lichtstrahlen zu verfolgen, die nicht „nur“ ein paar Millionen Kilometer unterwegs sind, sondern Lichtjahre quer durch unsere Milchstra\u00dfe zur\u00fccklegen!<\/p>\n

Man macht sich dabei die Eigenschaften von Pulsaren<\/i> zunutze. Dabei handelt es sich um schnell rotierende Neutronensterne, die in regelm\u00e4\u00dfigen Abst\u00e4nden elektromagnetische Pulse in Richtung Erde schicken (ich habe das hier sehr viel ausf\u00fchrlicher erkl\u00e4rt<\/a>). Und „regelm\u00e4\u00dfig“ hei\u00dft in diesem Fall wirklich regelm\u00e4\u00dfig<\/i>. Die Signale der Pulsare sind die genauesten Uhren die uns zur Verf\u00fcgung stehen. Und ihre Ankunft l\u00e4sst sich ebenso genau vorhersagen. Schon kleinste Abweichungen von wenigen Nanosekunden lassen sich messen und sagen uns, dass mit diesen Pulsaren irgendwas passiert, was normalerweise nicht passieren sollte.<\/p>\n

Junge Pulsare rotieren gerne mal ein wenig „unrund“; die Materie aus der sie bestehen verschiebt sich immer wieder mal ein wenig. Es gibt dort quasi „Sternbeben“ und die k\u00f6nnen, so wie gro\u00dfe Erdbeben bei uns, die Rotationsgeschwindigkeit der Pulsare und damit die Ankunftszeit der Pulse ver\u00e4ndern. Aber sehr alte Pulsare haben sich schon ausreichend beruhigt; sie rotieren extrem gleichm\u00e4\u00dfig und wenn die Pulse hier nicht mehr p\u00fcnktlich sind, muss es eine andere Ursache geben. Zum Beispiel eine Gravitationswelle, die den Raum zwischen uns und dem Pulsar ein wenig gestaucht bzw. gestreckt hat. <\/p>\n

Die Pulsare spielen also die gleiche Rolle wie die Spiegel bei LIGO und wenn wir die Lichtsignale der fernen Neutronensterne messen, k\u00f6nnen wir damit genau so gut Gravitationswellen nachweisen wie mit den Detektoren auf der Erde. Dazu muss man einen Pulsar aber immer wieder \u00fcber mehrere Jahre hinweg mit Radioteleskopen beobachten und die Ankunftszeiten der Signale genau aufzeichnen. Und das macht man idealerweise nicht nur bei einem Pulsar, sondern bei vielen. Je mehr Daten man hat, desto eher besteht die Chance, auch hier eine Gravitationswelle nachzuweisen. <\/p>\n

\"Radioteleskop<\/a>
Radioteleskop Effelsberg (Bild: Dr. Schorsch<\/a>, CC-BY-SA 3.0<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Das ist die Aufgabe des International Pulsar Timing Arrays (IPTA)<\/a> in dem sich das European Pulsar Timing Array (EPTA)<\/i>, das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav)<\/i> und das Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) aus Australien zusammengeschlossen haben. Gemeinsam beobachten sie zwei bis drei Dutzend Pulsare und nutzen dazu die gro\u00dfen Radioteleskope der Erde (unter anderem auch das deutsche Radioteleskop Effelsberg<\/a> mit seinem Durchmesser von 100 Metern). <\/p>\n

Bis jetzt war man mit dieser Methode noch nicht erfolgreich. Aber auch LIGO hat ja ein wenig gebraucht, bevor der erste Nachweis gelungen ist. Jetzt wo man wei\u00df, was m\u00f6glich ist, wird man mit diesem Wissen sicherlich auch die anderen Methoden verbessern k\u00f6nnen. Fr\u00fcher oder sp\u00e4ter werden wir die Gravitationswellen nicht mehr nur mit den terrestrischen Interferometern beobachten k\u00f6nnen, sondern auch mit den Radioteleskopen und den Messger\u00e4ten, die aus fernen Sternen bestehen. Der erste Schritt ist gemacht. Und der n\u00e4chste wird nicht lange auf sich warten lassen! <\/p>\n

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Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen hat zurecht die Wissenschaftsnachrichten der letzten Tage dominiert. Es war ein absoluter Meilenstein und hat uns einen v\u00f6llig neuen Weg er\u00f6ffnet, das Universum zu verstehen und zu beobachten. Es war der erste Schritt hin zu einer Gravitationswellenastronomie die das Potential hat, unseren Blick auf den Kosmos fundamental zu ver\u00e4ndern. […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":15570,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[11],"tags":[4454,5443,6120,6122,7317,9049,475,11923,12073,468,14139,15689],"class_list":["post-22669","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-naturwissenschaften","tag-elisa","tag-frequenz","tag-gravitationswellen","tag-gravitationswellenastronomie","tag-ipta","tag-ligo","tag-pulsar","tag-pulsar-timing-array","tag-radioteleskop-effelsberg","tag-schwarzes-loch","tag-supermassereiches-schwarzes-loch","tag-wechselwirkende-galaxie"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22669","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=22669"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22669\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":22670,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22669\/revisions\/22670"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/15570"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=22669"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=22669"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=22669"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}