Supermassive Schwarze Löcher: Wo sind die Gravitationswellen?

Langsam wird es eng: Bei der bislang besten Analyse ist es einem internationalen Forscherteam nicht gelungen, Gravitationswellen in einem bestimmen niederfrequenten Bereich nachzuweisen. Dort sollte sich eigentlich ein ständiger Hintergrund aus Gravitationswellen zeigen, ausgelöst durch Verschmelzungen von supermassereichen Schwarzen Löchern im Verlauf der kosmischen Geschichte. Der von den Forschern gefundene Grenzwert, sechsmal niedriger als frühere Werte, stehe mit einer Wahrscheinlichkeit von 46 bis 91 Prozent im Widerspruch zu theoretischen Modellen der kosmischen Strukturentwicklung, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“.

„Im nahen Universum findet man im Zentrum aller massereichen Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen im Bereich von einer Million bis zu 100 Milliarden Sonnenmassen“, schreiben Ryan Shannon von der Australia Telescope National Facility und seine Kollegen. Über die Entstehung und Entwicklung dieser Objekte ist bislang allerdings wenig bekannt. In Modellen der kosmischen Strukturentwicklung – also der Entstehung der Galaxien und Galaxienhaufen – spielen Verschmelzungsprozesse eine wichtige Rolle. Aus kleinen Galaxien bilden sich so sukzessive immer größere. Dabei sollte es auch zu einer Verschmelzung der zentralen Schwarzen Löcher dieser Sternsysteme kommen.

Ein Raster deutet die Deformation des Raumes durch Gravitationswellen an. In der Mitte die Erde, darum herum mehrere symbolisch dargestellte Pulsare.
Pulsar Timing Array

Die Annäherung der Schwarzen Löcher und ihre finale Verschmelzung sollten gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie zu Schwingungen der Raumzeit, also zu Gravitationswellen führen. Mithilfe so genannter Pulsar Timing Arrays versuchen Astronomen, diese niederfrequenten Gravitationswellen aufzuspüren. Dabei suchen die Forscher nach Abweichungen in den Ankunftszeiten der Radiopulse von Millisekunden-Pulsaren. Die Pulse dieser schnell rotierenden Neutronensterne sind genauer als jede irdische Uhr.

Shannon und sein Team haben sich die im Rahmen des Parkes Pulsar Timing Arrays gesammelten Daten von zwanzig Pulsaren vorgenommen. „Noch gibt es zu wenig Pulsare, die eine ausreichend lange Zeit mit ausreichender Genauigkeit beobachtet wurden, um eine zweifelsfreie Entdeckung von Gravitationswellen zu ermöglichen“, stellen die Forscher fest. Sie haben deshalb die sechs Pulsare ausgewählt, für die bislang die qualitativ besten Daten vorliegen, um einen neuen, genaueren oberen Grenzwert für die Amplitude der Gravitationswellen zu finden. Den von ihnen gefundenen Grenzwert haben die Wissenschaftler dann mit den Vorhersagen verschiedener Modelle für die kosmische Strukturentwicklung verglichen. Alle Modelle sagen mehr oder weniger deutlich Werte für die Amplitude der niederfrequenten Gravitationswellen voraus, die höher sind als der von Shannon und seinen Kollegen gefundene Grenzwert.