Astronomen haben simulierte Daten verwendet, um Einblicke in Gravitationswellen am Himmel zu kartieren, bei denen es sich um Wellen in der kosmischen Raumzeit handelt, die von umlaufenden Objekten erzeugt werden. Dieses Bild zeigt, wie weltraumgestützte Gravitationswellenobservatorien, deren Start im nächsten Jahrzehnt erwartet wird, unser Verständnis unserer Heimat Milchstraße verbessern werden.
Astronomen nutzten simulierte Daten, um den Himmel mit Gravitationswellen zu kartieren, was die Notwendigkeit von Weltraumobservatorien zur Erkennung von Doppelsternsystemen verdeutlichte. Zukünftige Projekte wie LISA zielen darauf ab, Tausende dieser schwer zu entdeckenden Systeme zu entdecken und signalisieren damit einen Paradigmenwechsel in der Weltraumbeobachtung. (Illustration des Künstlers – siehe Simulationsvideo unten).
Seit 2015 haben bodengestützte Observatorien etwa hundert Ereignisse entdeckt, die die Verschmelzung von Systemen aus Schwarzen Löchern mit stellarer Masse, Neutronensternen oder Paaren aus beiden darstellen. Diese Signale dauern typischerweise weniger als eine Minute, sind relativ hochfrequent, können überall am Himmel erscheinen und stammen von Quellen weit außerhalb unserer Galaxie.
Beobachten Sie, wie sich die Gravitationswellen einer simulierten Population kompakter Doppelsternsysteme zu einem zusammengesetzten Bild des gesamten Himmels verbinden. Diese Systeme enthalten Weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher in engen Umlaufbahnen. Sobald weltraumgestützte Gravitationswellenobservatorien im nächsten Jahrzehnt ihren Betrieb aufnehmen, wird es möglich sein, solche Karten anhand realer Daten zu erstellen. Hervorhebungen weisen auf Quellen mit stärkeren Signalen hin, hellere Farben auf Quellen mit höheren Frequenzen. Größere Farbflecken weisen auf Quellen hin, die weniger klar lokalisiert sind. Der Einschub zeigt die Frequenz und Stärke des Gravitationssignals sowie die Empfindlichkeitsgrenzen von LISA (Laser Interferometer Space Antenna), einem Observatorium, das von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Zusammenarbeit mit der NASA entworfen wurde und in den 2030er Jahren gestartet werden soll. Quelle: NASA Goddard Space Flight Center
Cecilia Cilenti, Forscherin an der University of Maryland, College Park und dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Doppelsternsysteme bevölkern auch die Milchstraße, und wir gehen davon aus, dass viele von ihnen kompakte Objekte in engen Umlaufbahnen enthalten, wie etwa Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher“, sagte Cecilia Chirenti. „Aber wir brauchen ein Weltraumobservatorium, um sie zu ‚hören‘, weil die Frequenz ihres Gravitationswellensummens zu niedrig ist, als dass bodengestützte Detektoren sie erkennen könnten.“
Astronomen nennen diese Systeme UCBs (ultra-small binaries) und gehen davon aus, dass zukünftige Observatorien wie LISA (Laser Interferometer Space Antenna), eine Zusammenarbeit zwischen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der NASA, Zehntausende von UCBs entdecken werden. UCBs sind oft schwer zu erkennen – sie sind im sichtbaren Licht oft schwach, und Astronomen kennen derzeit nur eine Handvoll UCBs mit Umlaufzeiten von weniger als einer Stunde. Die Entdeckung vieler neuer UCBs ist eines der Hauptziele von LISA.
Künstlerische Darstellung von LISA Pathfinder, der ESA-Mission zum Testen der Technologie für zukünftige weltraumgestützte Gravitationswellenobservatorien. LISA ist ein weltraumgestütztes Gravitationswellenobservatorium, das auf der Grundlage des Erfolgs von LISA Pathfinder und LIGO entwickelt wurde. Quelle: ESA-C. Carreau
Anhand von Daten, die die erwartete Verteilung und die Gravitationswellensignale dieser Systeme simulierten, entwickelte das Team eine Methode, um die Daten zu einer Gesamthimmelansicht der Milchstraße UCB zu kombinieren. Die Technik wird in einem in Acta Astronomica veröffentlichten Artikel beschrieben.
„Unser Bild ist direkt mit der Beobachtung einer Panoramaansicht des Himmels mit bestimmten Lichtarten wie sichtbarem Licht, Infrarot oder Röntgenstrahlen vergleichbar“, sagte der Goddard-Astrophysiker Ira Thorpe. „Die Hoffnung, die Gravitationswellen mit sich bringen, ist, dass wir das Universum auf eine ganz andere Art und Weise beobachten können, und dieses Bild macht das deutlich. Ich hoffe, dass ich eines Tages eine Version mit echten LISA-Daten auf einem Poster oder T-Shirt sehen kann.“