Gravitationswellendetektor im Weltraum könnte Geheimnisse des Universums aufdecken

Apr 15, 2023

Neue Forschungen haben gezeigt, dass künftige Gravitationswellennachweise aus dem Weltraum in der Lage sein werden, neue fundamentale Felder zu entdecken und möglicherweise neues Licht auf ungeklärte Aspekte des Universums zu werfen.

Professor Thomas Sotiriou vom Centre of Gravity der University of Nottingham und Andrea Maselli, Forscher am GSSI und INFN-Mitarbeiter, zeigten zusammen mit Forschern von SISSA und La Sapienza in Rom die beispiellose Genauigkeit, mit der Gravitationswellenbeobachtungen durch das Weltrauminterferometer LISA (Laser) durchgeführt werden Interferometer-Weltraumantenne) wird in der Lage sein, neue fundamentale Felder zu erkennen.Die Forschungwurde in Nature Astronomy veröffentlicht.

In dieser neuen Studie schlagen Forscher vor, dass LISA, der weltraumgestützte Gravitationswellendetektor (GW), der voraussichtlich 2037 von der ESA auf den Markt gebracht wird, neue Möglichkeiten für die Erforschung des Universums eröffnen wird.

Sotiriou, Direktor des Nottingham Centre of Gravity, erklärt: „Neue fundamentale Felder und insbesondere Skalare wurden in verschiedenen Szenarien vorgeschlagen: als Erklärung für Dunkle Materie, als Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums oder als Niedrigenergiefeld.“ -Energiemanifestationen einer konsistenten und vollständigen Beschreibung der Schwerkraft und der Elementarteilchen. Wir haben nun gezeigt, dass LISA beispiellose Fähigkeiten bei der Erkennung von Skalarfeldern bieten wird, und dies bietet spannende Möglichkeiten zum Testen dieser Szenarien.“

Beobachtungen astrophysikalischer Objekte mit schwachen Gravitationsfeldern und geringer Raumzeitkrümmung haben bisher keine Hinweise auf solche Felder erbracht. Es besteht jedoch Grund zu der Annahme, dass Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie oder Wechselwirkungen zwischen der Schwerkraft und neuen Feldern bei großen Krümmungen stärker ausgeprägt sein werden. Aus diesem Grund stellt der Nachweis von GWs – der ein neues Fenster zum Starkfeldbereich der Schwerkraft öffnete – eine einzigartige Gelegenheit zur Entdeckung dieser Felder dar.

Extreme Mass Ratio Inspirals (EMRI), bei denen ein kompaktes Objekt mit Sternmasse, entweder ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern, in ein Schwarzes Loch mit der millionenfachen Sonnenmasse eindringt, gehören zu den Zielquellen von LISA und liefern eine goldene Arena, um das Starkfeldregime der Schwerkraft zu erforschen. Der kleinere Körper durchläuft Zehntausende Umlaufzyklen, bevor er in das supermassereiche Schwarze Loch stürzt. Dies führt zu langen Signalen, die es uns ermöglichen, selbst kleinste Abweichungen von den Vorhersagen von Einsteins Theorie und dem Standardmodell der Teilchenphysik zu erkennen.

Die Forscher haben einen neuen Ansatz zur Modellierung des Signals entwickelt und zum ersten Mal eine genaue Schätzung der Fähigkeit von LISA durchgeführt, die Existenz von Skalarfeldern in Verbindung mit der Gravitationswechselwirkung zu erkennen und zu messen, wie viel Skalarfeld von dem kleinen Körper getragen wird das EMRI. Bemerkenswerterweise ist dieser Ansatz theorieunabhängig, da er weder vom Ursprung der Ladung selbst noch von der Natur des kleinen Körpers abhängt. Die Analyse zeigt auch, dass solche Messungen starken Grenzen der theoretischen Parameter zugeordnet werden können, die Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie oder dem Standardmodell markieren.

LISA wird sich der Erkennung von Gravitationswellen astrophysikalischer Quellen widmen und in einer Konstellation von drei Satelliten arbeiten, die Millionen Kilometer voneinander entfernt um die Sonne kreisen. LISA wird Niederfrequenz-Gravitationswellen beobachten, die in einem Band liegen, das terrestrischen Interferometern aufgrund von Umgebungsrauschen nicht zur Verfügung steht. Das sichtbare Spektrum für LISA wird es ermöglichen, neue Familien astrophysikalischer Quellen zu untersuchen, die sich von denen unterscheiden, die von Virgo und LIGO wie den EMRIs beobachtet wurden, und ein neues Fenster zur Entwicklung kompakter Objekte in einer Vielzahl von Umgebungen unseres Universums öffnen.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der University of Nottingham veröffentlicht