Pulsare als Detektoren für Gravitationswellen

Epping/Parkville (Australien) – Bislang entziehen sie sich trotz kilometergroßer Detektoranlagen der Entdeckung: Gravitationswellen, Schwingungen der Raumzeit, deren Existenz Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat. Doch die Entdeckung von Gravitationswellen könnte schon bald möglich sein. Und zwar nicht mit speziellen Detektoren, sondern mit gewöhnlichen Radioteleskopen, die die Ankunftszeit der Radiosignale von Pulsaren messen. Die Schwingungen treten dabei aber nicht – wie bislang zumeist vermutet – als eine Art Hintergrundrauschen auf, sondern es dominieren einzelne Signale individueller Quellen.

Pulsar mit Radiostrahlen

Pulsare sind Neutronensterne, ultradichte Sternenüberreste, die bei einem Durchmesser von rund 20 Kilometern die Masse einer Sonne enthalten. Sie senden stark gebündelte Radiostrahlen aus, die durch die schnelle Rotation der Neutronensterne wie die Strahlen eines Leuchtturms durch das All schwenken. Wird die Erde von diesen Strahlen getroffen, so registrieren die Astronomen mit ihren Antennen regelmäßige Radiopulse. Besonders interessant für die Forscher sind schnell rotierende Pulsare mit Perioden im Millisekundenbereich. Denn die Pulse dieser Objekte besitzen eine Stabilität, die größer ist als die von Atomuhren.

Drei internationale Projekte – sogenannte Pulsar Timing Arrays – „liefern inzwischen qualitativ hochwertige Zeitmessungen von rund 40 der stabilsten Millisekundenpulsare“, sagt George Hobbs von der Australia Telescope National Facility. Da die Zahl der bekannten Millisekunden-Pulsare stetig anwächst und eine Reihe neuer, großer Radioteleskope im Bau ist, sieht Hobbs gute Aussichten, dass die genauen Zeitmessungen schon bald Hinweise auf Gravitationswellen liefern könnten. Natürlich, so der Forscher, werden die Signale der Pulsare auf ihren Weg zur Erde auch von anderen Effekten gestört, zum Beispiel durch Dichteschwankungen im interstellaren Gas. Aber während solche Schwankungen für verschiedene Pulsare zu völlig unterschiedlichen Verzögerungen führen, hängt der Einfluss von Gravitationswellen vom Winkel zwischen dem Pulsar und der Quelle der Gravitationswellen ab.

Schwarze Löcher erzeugen Gravitationswellen

Als Quelle kommen vor allem supermassereiche Schwarze Löcher infrage, die miteinander verschmelzen. Nahezu jede Galaxie beherbergt in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch mit der millionen- oder gar milliardenfachen Masse der Sonne. Da Sternsysteme in der kosmischen Geschichte immer wieder zusammenstoßen und miteinander verschmelzen, kommt es auch immer wieder zu Verschmelzungen der zentralen Schwarzen Löcher. Vikram Ravi von der University of Melbourne und seine Kollegen haben auf der Grundlage etablierter Modelle der Galaxienentwicklung die Auswirkung dieser Ereignisse auf die Pulsarsignale untersucht. „Wir haben festgestellt, dass die Statistik der Variationen nicht mit einem isotropen, statistischen Hintergrund aus Gravitationswellen im Einklang ist“, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Astrophysical Journal“.

Die superschweren Schwarzen Löcher erzeugen also kein gleichmäßiges Rauschen aus Gravitationswellen. „Der Grund dafür ist, dass einige wenige Quellen von Gravitationswellen die Variationen dominieren“, so Ravi und seine Kollegen. Ihrer Einschätzung nach gäbe es gute Chancen, die von einem einzigen Paar verschmelzender Schwarzer Löcher erzeugten Abweichungen in den Ankunftszeiten von Pulsarsignalen innerhalb von fünf Jahren mit einem Pulsar Timing Array nachzuweisen. Wichtig sei, bei der Analyse der Daten nicht nach einem gleichmäßigen Gravitationswellenhintergrund, sondern nach solchen individuellen Ereignissen zu suchen.