Um riesige Schwarze Löcher zu finden, beginnen Sie mit dem Zentrum unseres Sonnensystems

Netzartige Struktur mit Erde im Zentrum, Wellenlinien und kleinen spitzen Röhren, auf nebligen Hintergrund.

Künstlerisches Konzept einer Reihe von Pulsaren, die in einem System verwendet werden, um Schwarze Löcher mit der milliardenfachen Masse unserer Sonne zu finden. Der beste Ausgangspunkt? Eine Idee ist, das Gravitationszentrum unseres Sonnensystems zu nutzen. Bild über David Champion/Vanderbilt-Universität.


Schwarze Löchersind Orte, an denen die Schwerkraft so groß ist, dass Licht nicht entweichen kann. DieFreizeitumgebende Schwarze Löcher ist verzerrt. In den letzten Jahrzehnten sind Astronomen zu der Annahme gelangt, dass die größten Schwarzen Löcher –Super massivSchwarze Löcher – befinden sich in den Herzen der meisten Galaxien. Jeder ist millionen- oder milliardenfach so groß wie die Masse unserer Sonne. Aber viele supermassereiche Schwarze Löcher bleiben unentdeckt. Wie können Wissenschaftler sie finden? EintretenGravitationswellen, Wellen in der Raumzeit, die bereits von Albert Einstein theoretisiert wurden, aber erst seit 2015 beobachtet wurden. Astronomen sagen jetzt, dass wir supermassereiche Schwarze Löcher finden können, indem wir die Wirkung ihrer Gravitationswellen auf den Zeitpunkt von Lichtblitzen beobachtenPulsare. Während dieser Forschung sagen diese Wissenschaftler, dass sie auch unser Wissen über das Gravitationszentrum verfeinert haben – oderSchwerpunkt– unseres Sonnensystems.

Die neue Forschung kommt vonStephen Taylor, Assistant Professor für Physik an der Vanderbilt University und dem North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) Zusammenarbeit. Taylor erklärte in einer Erklärung:


Mit den Pulsaren, die wir in der Milchstraße beobachten, versuchen wir, wie eine Spinne zu sein, die in der Mitte ihres Netzes still sitzt. Wie gut wir den Schwerpunkt des Sonnensystems verstehen, ist entscheidend, wenn wir versuchen, selbst das kleinste Kribbeln im Netz zu spüren.

Diese neue Technik zum Auffinden supermassereicher Schwarzer Löcher warangekündigtam 30. Juni 2020 von der Vanderbilt University.

Diepeer-reviewedPapier mit detaillierten Angaben zu ihren Ergebnissen warveröffentlichtinDas Astrophysikalische Journalletzten 21.04.

Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit – können durch Paare von Schwarzen Löchern erzeugt werden, die einander umkreisen. Um diese Wellen zu finden, messen Taylor und seine Kollegen die regelmäßigen Lichtblitze von PulsarenNeutronensternedie sich extrem schnell drehen und Lichtstrahlen aussenden, ähnlich wie ein kosmischer Leuchtturm. Die Forscher suchen mithilfe von NANOGrav-Daten nach Veränderungen in der Ankunftsrate dieser Blitze. Wie Uhren, die die Zeit perfekt halten, sind Pulsare dafür bekannt, dass sie ihre Blitze äußerst regelmäßig aussenden (weshalb man bei ihrer ersten Entdeckung dachte, dass es sich um künstliche Signale von Außerirdischen handeln könnte). So könnten geringfügige Abweichungen vom sonst regelmäßigen Aufblitzen eines Pulsars auf das Vorbeiziehen von Gravitationswellen hinweisen.




Planeten des Sonnensystems als auf einer Wippe dargestellt.

Es stellt sich heraus, dass das genaue Gravitationszentrum – das Baryzentrum – des Sonnensystems nicht in der Mitte der Sonne liegt, sondern laut der neuen Studie etwa 100 Meter über der Sonnenoberfläche. Bild über Tonia Klein/ NANOGrav Physics Frontier Center/Vanderbilt-Universität.

In demStellungnahmevon diesen Wissenschaftlern sagte Taylor, dass das Verständnis der genauen Position desSchwerpunktdes Sonnensystems hilft bei der Suche nach Gravitationswellen von supermassereichen Schwarzen Löchern. Was ist der Schwerpunkt genau? Vielleicht wissen Sie, dass – wie zum Beispiel im Erde-Mond-System – der Mond nicht den Erdmittelpunkt umkreist. Stattdessen kreisen sowohl Erde als auch Mond um den Schwerpunkt oder den gemeinsamen Schwerpunkt im System. Im Erde-Mond-System liegt der Schwerpunkt oder Baryzentrum innerhalb der Erde, aber nicht im Erdmittelpunkt. Es ist etwa 2.902 Meilen (4.671 km) vom Erdmittelpunkt entfernt oder etwa 75% des Weges vom Erdmittelpunkt bis zur Oberfläche.

Ebenso liegt der Schwerpunkt – oder Massenmittelpunkt – in unserem Sonnensystem nicht in der Mitte der Sonne. Laut der neuen Studie befindet es sich in der Nähe der Sonnenoberfläche, etwa 100 Meter über der Sonnenoberfläche. Die Aussage dieser Wissenschaftler nannte diesen Punkt „den Ort absoluter Stille in unserem Sonnensystem“.

Das Verständnis der Lage des genauen Gravitationszentrums des Sonnensystems hilft den Wissenschaftlern also, die sehr geringen, aber nachweisbaren Veränderungen in Pulsarblitzen zu messen, die durch vorbeiziehende Gravitationswellen verursacht werden. Dieser Standort wurde zuvor anhand von Daten von . geschätztDoppler-Tracking. Dies liefert die Positionen und Flugbahnen von Objekten, während sie die Sonne umkreisen. Dies kann jedoch zu Fehlern und inkonsistenten Ergebnissen führen, die Hinweise auf Gravitationswellen zeigen, die nicht wirklich vorhanden sind. MitverfasserJoe Simongenannt:


Der Haken ist, dass Fehler in den Massen und Bahnen zu Pulsar-Timing-Artefakten führen, die gut wie Gravitationswellen aussehen können.

Blaue Spiralen, die zwei kleine schwarze Kugeln mit Sternen im Hintergrund umgeben.

Grafische Darstellung von Gravitationswellen, die von zwei sich umkreisenden Schwarzen Löchern erzeugt werden. Bild über LIGO/ T. Pyle/Wissenschaft.

Zwei schwarze Kugeln, eingebettet in eine rote Materialscheibe, die eine andere schwarze Kugel umgibt.

Künstlerisches Konzept eines eigentümlichen Schwarzen-Loch-Systems, bei dem 2 kleine Schwarze Löcher in der Scheibe verschmelzen, die ein drittes supermassereiches Schwarzes Loch umgibt. Um die massereichsten Schwarzen Löcher zu finden, messen die Forscher den Zeitpunkt von Lichtblitzen von Pulsaren, die von Gravitationswellen beeinflusst werden. Bild überCaltech/ R. verletzt (IPAC).

HauptautorMichele Vallisnerihinzugefügt:


Wir haben bei unseren Gravitationswellensuchen zwischen Sonnensystemmodellen nichts Bedeutsames entdeckt, aber wir haben große systematische Unterschiede in unseren Berechnungen festgestellt. Normalerweise liefern mehr Daten ein genaueres Ergebnis, aber es gab immer einen Offset in unseren Berechnungen.

Wie erklären die Forscher also die bisherigen Fehler und Inkonsistenzen und verbessern die Genauigkeit der Detektion der Gravitationswellen? Sie entschieden sich für einen anderen Ansatz und suchten gleichzeitig nach den Gravitationswellen und dem genauen Gravitationszentrum des Sonnensystems. Und es hat funktioniert. Sie konnten sogar den Schwerpunkt im Sonnensystem auf 100 Meter genau lokalisieren! Das genaue Gravitationszentrum des Sonnensystems liegt nicht im Zentrum der Sonne, wie man vermuten könnte. Es geht eigentlich nur um330 Fußüber der Sonnenoberfläche, so das Papier. Diese Diskrepanz ist auf den Einfluss der riesigen Masse des größten Planeten Jupiter zurückzuführen. Taylor sagte:

Unsere genaue Beobachtung von Pulsaren, die über die Galaxie verstreut sind, hat uns im Kosmos besser als je zuvor lokalisiert. Indem wir auf diese Weise Gravitationswellen finden, erhalten wir neben anderen Experimenten einen ganzheitlicheren Überblick über alle Arten von Schwarzen Löchern im Universum.

Lächelnder Mann mit verschränkten Armen.

Stephen Taylor von der Vanderbilt University, Co-Autor der neuen Studie. Bild überVanderbilt-Universität.

Vor ein paar Tagen war es soweitgemeldetdass Astronomen zum ersten Mal sichtbares Licht einer Verschmelzung Schwarzer Löcher beobachtet hatten. In diesem System verschmelzen zwei kleinere Schwarze Löcher in einer Materialscheibe, die ein supermassereiches Schwarzes Loch von 12,8 Milliarden . umgibtLichtjahreein Weg. Solche Verschmelzungen wurden bereits durch die von ihnen erzeugten Gravitationswellen entdeckt, aber dies war das erste Mal, dass auch ein fackelähnliches Phänomen des sichtbaren Lichts beobachtet wurde. Das Licht kommt von der gasförmigen Materialscheibe, die das größere Schwarze Loch umgibt, nicht aus den Schwarzen Löchern selbst.

NANOGrav wird weiterhin zusätzliche Pulsar-Timing-Daten sammeln, und Astronomen sind zuversichtlich, dass dies zur eindeutigen Entdeckung supermassereicher Schwarzer Löcher führen wird.

Fazit: Eine neue Studie sagt, dass der beste Weg, um die massereichsten Schwarzen Löcher zu finden, darin besteht, Gravitationswellen im präzisen Gravitationszentrum des Sonnensystems zu messen.

Quelle: Modellierung der Unsicherheiten von Sonnensystem-Ephemeriden für robuste Gravitationswellensuchen mit Pulsar-Timing-Arrays

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