Im Kosmos herrscht rege Betriebsamkeit. Jedes große Ereignis, von einer Supernova bis hin zur Verschmelzung von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern, sendet Gravitationswellen aus. Sogar die Aufblähung des Weltraums nach dem Urknall sollte eine Reihe solcher Wellen ausgelöst haben. Sie hallen wie Wellen auf einem Teich durch die Raumzeit und verursachen kleine Ausdehnungen und Kontraktionen, die als Abweichungen in unseren genau getimten Signalen registriert werden. Diese kollektive Kakophonie bildet ein stochastisches Rauschen, das als Gravitationswellenhintergrund (GWB) bekannt ist und zu den begehrtesten Entdeckungen der Gravitationswellenastronomie gehört.

Gravitationswellen und was sie verraten könnten

„Wir erwarten, dass die Entdeckung und Analyse des Gravitationswellenhintergrunds unser Verständnis des Universums revolutionieren wird“, zitiert ScienceAlert Susan Scott, „so wie die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und seiner Anisotropien Pionierarbeit geleistet hat“. Scott ist theoretische Physikerin an der Australian National University und dem ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery.

Der Nachweis dieser Gravitationsstrahlung könne entscheidende Informationen über astrophysikalische Quellen und frühe Prozesse im Universum liefern. Im Gegensatz zur elektromagnetischen Strahlung, die uns nur einen Blick zurück bis etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall erlaubt, könnten uns die Gravitationswellen Einblicke in die Inflationszeit unmittelbar nach dem Urknall geben.

Um die Bedeutung der GWB zu verstehen, muss man den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) verstehen. Nach dem Urknall war das Universum eine undurchsichtige Suppe aus ionisiertem Plasma und subatomaren Teilchen. Als sich diese Teilchen in der Epoche der Rekombination wieder zu Atomen vereinigten, konnte sich das Licht endlich frei durch das Universum bewegen, wodurch der CMB entstand. Dieses schwache Licht ist auch heute noch nachweisbar und ermöglicht uns einen einzigartigen Blick auf das frühe Universum. Die Entdeckung des GWB würde diese bedeutende Leistung widerspiegeln.

Die Suche nach dem GWB

Der allererste Nachweis von Gravitationswellen erfolgte 2015, wodurch die Existenz von Schwarzen Löchern bestätigt und die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie untermauert wurden. Seitdem haben die Interferometer LIGO und Virgo fast 100 Gravitationswellenereignisse entdeckt. Der Nachweis der GWB stellt jedoch eine ganz neue Herausforderung dar. Susan Scott erklärt: „Ein astrophysikalischer Hintergrund entsteht durch das verworrene Rauschen vieler schwacher, unabhängiger und ungelöster astrophysikalischer Quellen.“

Während die Wissenschaftler der Entdeckung des GWB immer näher kommen, gibt es vielversprechende Werkzeuge, die unser Verständnis verbessern könnten. Eines dieser Instrumente, die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die 2037 in Betrieb genommen werden soll, wird mit viel niedrigeren Frequenzen arbeiten und so den Nachweis verschiedener Arten von Gravitationswellen ermöglichen. Außerdem werden Pulsar-Timing-Arrays (PTAs) zur Untersuchung des GWB eingesetzt.

Wenn mehrere Pulsare korrelierte Zeitunregelmäßigkeiten aufweisen, könnte dies ein Hinweis auf Gravitationswellen sein, die von supermassiven Schwarzen Löchern erzeugt werden. Während die Erforschung der kosmischen Symphonie weitergeht, wird unser Verständnis des Universums um eine Gravitationswelle nach der anderen erweitert.

Große Ankündigung voraus

Während die einen bislang erfolglos nach Belegen für die GWB suchen, könnten andere ihr bereits auf die Schliche gekommen sein. So ließ das NANOGrav Physics Frontiers Center schon vergangenen Donnerstag via Twitter verlauten: „Markiert eure Kalender und macht euch bereit für eine wichtige Ankündigung der NANOGrav-Kooperation am 29. Juni!“

Laut einer entsprechenden Pressemitteilung soll sich die Ankündigung des North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves auf ihre Suche nach niederfrequenten Gravitationswellen beziehen. Es ist denkbar, dass den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ein epochaler Durchbruch in Richtung der Entdeckung der GWB gelungen ist.

Quellen: ScienceAlert; Twitter/@NANOGrav; NANOGrav Physics Frontiers Center

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