Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
Pulsar Timing Arrays
Die Pulsar-Timing-Array-Gruppe arbeitet am Nachweis und der Charakterisierung von Gravitationswellen mit Frequenzen im Nanohertz-Bereich, sowie am Verständnis und der Modellierung ihrer astrophysikalischen Quellen. Eine Reihe von Gruppen arbeitet seit rund zwei Jahrzehnten daran, diese Gravitationswellen durch hochpräzise Beobachtung von galaktischen Millisekunden-Pulsaren nachzuweisen.
Die Arbeitsgruppe
Wir treten in eine Ära ein, in der der Nachweis von Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich mithilfe von Pulsar-Timing-Arrays (PTAs) möglich sein könnte. Im Sommer 2023 haben unabhängige Veröffentlichungen von vier verschiedenen Pulsar-Timing-Array-Kollaborationen (CPTA, EPTA, NANOGrav, PPTA) über unterschiedlich starke Hinweise (von den Autor:innen als „schwach“ bis „überzeugend“ eingeordnet) für einen stochastischen Gravitationswellenhintergrund in diesem Frequenzbereich berichtet.
Dies erfordert robuste Methoden für die Datenanalyse und Modelle der Quellen. Die Kombination der Daten von Radioteleskopen aus der ganzen Welt ist eine Herausforderung: Die Datensätze werden durch systematische Effekte beeinflusst und durch Rauschquellen verunreinigt. Es wurden zwar Methoden für die kohärente Analyse entwickelt, die für Beobachtung von Gravitationswellen erforderlich ist, doch es bleiben viele Fragen offen. Um die Ergebnisse zu interpretieren und verlässliche Schlussfolgerungen zu ziehen, müssen die Gravitationswellenquellen im Nanohertz-Bereich außerdem korrekt modelliert werden. Die PTA-Gruppe befasst sich mit diesen Herausforderungen.
Gravitationswellen mithilfe von Pulsaren messen
Pulsar Timing Arrays suchen nach niederfrequenten Gravitationswellen, indem sie regelmäßig viele Millisekundenpulsare beobachten und die Ankunftszeiten ihrer Radiopulse untersuchen.
Bild: David Champion/Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Pulsar Timing Arrays suchen nach niederfrequenten Gravitationswellen, indem sie regelmäßig viele Millisekundenpulsare beobachten und die Ankunftszeiten ihrer Radiopulse untersuchen.
Bild: David Champion/Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Gravitationswellen dehnen und stauchen die Raumzeit. Dieser Effekt wird derzeit mit laserinterferometrischen Methoden in aktuellen Detektoren auf der Erde beobachtet. Derselbe Effekt beeinflusst auch elektromagnetische Wellen, die unsere Galaxie durchlaufen, einschließlich der Radiopulse von Pulsaren. Sie kommen etwas früher oder später an, wenn Gravitationswellen die Raumzeit zwischen dem Pulsar und der Erde beeinflussen.
Die zu erwartenden Schwankungen der Ankunftszeiten der Pulse sind sehr gering. Dies bedeutet, dass Pulsare mit sehr stabilen und vorhersagbaren Rotationseigenschaften und genau messbaren Ankunftszeiten der Pulse erforderlich sind. Millisekunden-Pulsare (die sich mehrere hundert Mal pro Sekunde drehen) erfüllen beide Anforderungen. Pulsar Timing Arrays beobachten regelmäßig (englisch: „to time“) eine große Anzahl von Millisekunden-Pulsaren, die über den gesamten Himmel verteilt sind, über einen langen Zeitraum. Dadurch werden Störungen minimiert und die Richtungsempfindlichkeit wird optimiert.
The International Pulsar Timing Array Collaboration; Agazie, G.; Antoniadis, J.; Anumarlapudi, A.; Archibald, A. M.; Arumugam, P.; Arumugam, S.; Arzoumanian, Z.; Askew, J.; Babak, S.et al.; Bagchi, M.; Bailes, M.; Nielsen, A. -. B.; Baker, P. T.; Bassa, C. G.; Bathula, A.; Bécsy, B.; Berthereau, A.; Bhat, N. D. R.; Blecha, L.; Bonetti, M.; Bortolas, E.; Brazier, A.; Brook, P. R.; Burgay, M.; Burke-Spolaor, S.; Burnette, R.; Caballero, R. N.; Cameron, A.; Case, R.; Chalumeau, A.; Champion, D. J.; Chanlaridis, S.; Charisi, M.; Chatterjee, S.; Chatziioannou, K.; Cheeseboro, B. D.; Chen, S.; Chen, Z. -.; Cognard, I.; Cohen, T.; Coles, W. A.; Cordes, J. M.; Cornish, N. J.; Crawford, F.; Cromartie, H. T.; Crowter, K.; Curyło, M.; Cutler, C. J.; Dai, S.; Dandapat, S.; Deb, D.; DeCesar, M. E.; DeGan, D.; Demorest, P. B.; Deng, H.; Desai, S.; Desvignes, G.; Dey, L.; Dhanda-Batra, N.; Di Marco, V.; Dolch, T.; Drachler, B.; Dwivedi, C.; Ellis, J. A.; Falxa, M.; Feng, Y.; Ferdman, R. D.; Ferrara, E. C.; Fiore, W.; Fonseca, E.; Franchini, A.; Freedman, G. E.; Gair, J. R.; Garver-Daniels, N.; Gentile, P. A.; Gersbach, K. A.; Glaser, J.; Good, D. C.; Goncharov, B.; Gopakumar, A.; Graikou, E.; Grießmeier, J. -.; Guillemot, L.; Gültekin, K.; Guo, Y. J.; Gupta, Y.; Grunthal, K.; Hazboun, J. S.; Hisano, S.; Hobbs, G. B.; Hourihane, S.; Hu, H.; Iraci, F.; Islo, K.; Izquierdo-Villalba, D.; Jang, J.; Jawor, J.; Janssen, G. H.; Jennings, R. J.; Jessner, A.; Johnson, A. D.; Jones, M. L.; Joshi, B. C.; Kaiser, A. R.; Kaplan, D. L.; Kapur, A.; Kareem, F.; Karuppusamy, R.; Keane, E. F.; Keith, M. J.; Kelley, L. Z.; Kerr, M.; Key, J. S.; Kharbanda, D.; Kikunaga, T.; Klein, T. C.; Kolhe, N.; Kramer, M.; Krishnakumar, M. A.; Kulkarni, A.; Laal, N.; Lackeos, K.; Lam, M. T.; Lamb, W. G.; Larsen, B. B.; Lazio, T. J. W.; Lee, K. J.; Levin, Y.; Lewandowska, N.; Littenberg, T. B.; Liu, K.; Liu, T.; Liu, Y.; Lommen, A.; Lorimer, D. R.; Lower, M. E.; Luo, J.; Luo, R.; Lynch, R. S.; Lyne, A. G.; Ma, C. -.; Maan, Y.; Madison, D. R.; Main, R. A.; Manchester, R. N.; Mandow, R.; Mattson, M. A.; McEwen, A.; McKee, J. W.; McLaughlin, M. A.; McMann, N.; Meyers, B. W.; Meyers, P. M.; Mickaliger, M. B.; Miles, M.; Mingarelli, C. M. F.; Mitridate, A.; Natarajan, P.; Nathan, R. S.; Ng, C.; Nice, D. J.; Niţu, I. C.; Nobleson, K.; Ocker, S. K.; Olum, K. D.; Osłowski, S.; Paladi, A. K.; Parthasarathy, A.; Pennucci, T. T.; Perera, B. B. P.; Perrodin, D.; Petiteau, A.; Petrov, P.; Pol, N. S.; Porayko, N. K.; Possenti, A.; Prabu, T.; Leclere, H. Q.; Radovan, H. A.; Rana, P.; Ransom, S. M.; Ray, P. S.; Reardon, D. J.; Rogers, A. F.; Romano, J. D.; Russell, C. J.; Samajdar, A.; Sanidas, S. A.; Sardesai, S. C.; Schmiedekamp, A.; Schmiedekamp, C.; Schmitz, K.; Schult, L.; Sesana, A.; Shaifullah, G.; Shannon, R. M.; Shapiro-Albert, B. J.; Siemens, X.; Simon, J.; Singha, J.; Siwek, M. S.; Speri, L.; Spiewak, R.; Srivastava, A.; Stairs, I. H.; Stappers, B. W.; Stinebring, D. R.; Stovall, K.; Sun, J. P.; Surnis, M.; Susarla, S. C.; Susobhanan, A.; Swiggum, J. K.; Takahashi, K.; Tarafdar, P.; Taylor, J.; Taylor, S. R.; Theureau, G.; Thrane, E.; Thyagarajan, N.; Tiburzi, C.; Toomey, L.; Turner, J. E.; Unal, C.; Vallisneri, M.; van der Wateren, E.; van Haasteren, R.; Vecchio, A.; Krishnan, V. V.; Verbiest, J. P. W.; Vigeland, S. J.; Wahl, H. M.; Wang, S.; Wang, Q.; Witt, C. A.; Wang, J.; Wang, L.; Wayt, K. E.; Wu, Z.; Young, O.; Zhang, L.; Zhang, S.; Zhu, X. -.; Zic, A.: Comparing recent PTA results on the nanohertz stochastic gravitational wave background. (2023)
NANOGrav Collaboration; Johnson, A. D.; Meyers, P. M.; Baker, P. T.; Cornish, N. J.; Hazboun, J. S.; Littenberg, T. B.; Romano, J. D.; Taylor, S. R.; Vallisneri, M.et al.; Vigeland, S. J.; Olum, K. D.; Siemens, X.; Ellis, J. A.; van Haasteren, R.; Hourihane, S.; Agazie, G.; Anumarlapudi, A.; Archibald, A. M.; Arzoumanian, Z.; Blecha, L.; Brazier, A.; Brook, P. R.; Burke-Spolaor, S.; Bécsy, B.; Casey-Clyde, J. A.; Charisi, M.; Chatterjee, S.; Chatziioannou, K.; Cohen, T.; Cordes, J. M.; Crawford, F.; Cromartie, H. T.; Crowter, K.; DeCesar, M. E.; Demorest, P. B.; Dolch, T.; Drachler, B.; Ferrara, E. C.; Fiore, W.; Fonseca, E.; Freedman, G. E.; Garver-Daniels, N.; Gentile, P. A.; Glaser, J.; Good, D. C.; Gültekin, K.; Jennings, R. J.; Jones, M. L.; Kaiser, A. R.; Kaplan, D. L.; Kelley, L. Z.; Kerr, M.; Key, J. S.; Laal, N.; Lam, M. T.; Lamb, W. G.; Lazio, T. J. W.; Lewandowska, N.; Liu, T.; Lorimer, D. R.; Lynch, R. S.; Ma, C.-P.; Madison, D. R.; McEwen, A.; McKee, J. W.; McLaughlin, M. A.; McMann, N.; Meyers, B. W.; Mingarelli, C. M. F.; Mitridate, A.; Ng, C.; Nice, D. J.; Ocker, S. K.; Pennucci, T. T.; Perera, B. B. P.; Pol, N. S.; Radovan, H. A.; Ransom, S. M.; Ray, P. S.; Sardesai, S. C.; Schmiedekamp, C.; Schmiedekamp, A.; Schmitz, K.; Shapiro-Albert, B. J.; Simon, J.; Siwek, M. S.; Stairs, I. H.; Stinebring, D. R.; Stovall, K.; Susobhanan, A.; Swiggum, J. K.; Turner, J. E.; Unal, C.; Wahl, H. M.; Witt, C. A.; Young, O.: The NANOGrav 15-year Gravitational-Wave Background Analysis Pipeline. (2023)
The NANOGrav Collaboration; Agazie, G.; Anumarlapudi, A.; Archibald, A. M.; Arzoumanian, Z.; Baker, P. T.; Becsy, B.; Blecha, L.; Brazier, A.; Brook, P. R.et al.; Burke-Spolaor, S.; Burnette, R.; Case, R.; Charisi, M.; Chatterjee, S.; Chatziioannou, K.; Cheeseboro, B. D.; Chen, S.; Cohen, T.; Cordes, J. M.; Cornish, N. J.; Crawford, F.; Cromartie, H. T.; Crowter, K.; Cutler, C. J.; DeCesar, M. E.; DeGan, D.; Demorest, P. B.; Deng, H.; Dolch, T.; Drachler, B.; Ellis, J. A.; Ferrara, E. C.; Fiore, W.; Fonseca, E.; Freedman, G. E.; Garver-Daniels, N.; Gentile, P. A.; Gersbach, K. A.; Glaser, J.; Good, D. C.; Gultekin, K.; Hazboun, J. S.; Hourihane, S.; Islo, K.; Jennings, R. J.; Johnson, A. D.; Jones, M. L.; Kaiser, A. R.; Kaplan, D. L.; Kelley, L. Z.; Kerr, M.; Key, J. S.; Klein, T. C.; Laal, N.; Lam, M. T.; Lamb, W. G.; Lazio, T. J. W.; Lewandowska, N.; Littenberg, T. B.; Liu, T.; Lommen, A.; Lorimer, D. R.; Luo, J.; Lynch, R. S.; Ma, C.-P.; Madison, D. R.; Mattson, M. A.; McEwen, A.; McKee, J. W.; McLaughlin, M. A.; McMann, N.; Meyers, B. W.; Meyers, P. M.; Mingarelli, C. M. F.; Mitridate, A.; Natarajan, P.; Ng, C.; Nice, D. J.; Ocker, S. K.; Olum, K. D.; Pennucci, T. T.; Perera, B. B. P.; Petrov, P.; Pol, N. S.; Radovan, H. A.; Ransom, S. M.; Ray, P. S.; Romano, J. D.; Sardesai, S. C.; Schmiedekamp, A.; Schmiedekamp, C.; Schmitz, K.; Schult, L.; Shapiro-Albert, B. J.; Siemens, X.; Simon, J.; Siwek, M. S.; Stairs, I. H.; Stinebring, D. R.; Stovall, K.; Sun, J. P.; Susobhanan, A.; Swiggum, J. K.; Taylor, J.; Taylor, S. R.; Turner, J. E.; Unal, C.; Vallisneri, M.; van Haasteren, R.; Vigeland, S. J.; Wahl, H. M.; Wang, Q.; Witt, C. A.; Young, O.: The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background. he Astrophysical Journal Letters 951 (1), L18 (2023)
Bécsy, B.; Cornish, N. J.; Meyers, P. M.; Kelley, L. Z.; Agazie, G.; Anumarlapudi, A.; Archibald, A. M.; Arzoumanian, Z.; Baker, P. T.; Blecha, L.et al.; Brazier, A.; Brook, P. R.; Burke-Spolaor, S.; Casey-Clyde, J. A.; Charisi, M.; Chatterjee, S.; Chatziioannou, K.; Cohen, T.; Cordes, J. M.; Crawford, F.; Cromartie, H. T.; Crowter, K.; DeCesar, M. E.; Demorest, P. B.; Dolch, T.; Ferrara, E. C.; Fiore, W.; Fonseca, E.; Freedman, G. E.; Garver-Daniels, N.; Gentile, P. A.; Glaser, J.; Good, D. C.; Gültekin, K.; Hazboun, J. S.; Hourihane, S.; Jennings, R. J.; Johnson, A. D.; Jones, M. L.; Kaiser, A. R.; Kaplan, D. L.; Kerr, M.; Key, J. S.; Laal, N.; Lam, M. T.; Lamb, W. G.; Lazio, T. J. W.; Lewandowska, N.; Littenberg, T. B.; Liu, T.; Lorimer, D. R.; Luo, J.; Lynch, R. S.; Ma, C.-P.; Madison, D. R.; McEwen, A.; McKee, J. W.; McLaughlin, M. A.; McMann, N.; Meyers, B. W.; Mingarelli, C. M. F.; Mitridate, A.; Ng, C.; Nice, D. J.; Ocker, S. K.; Olum, K. D.; Pennucci, T. T.; Perera, B. B. P.; Pol, N. S.; Radovan, H. A.; Ransom, S. M.; Ray, P. S.; Romano, J. D.; Sardesai, S. C.; Schmiedekamp, A.; Schmiedekamp, C.; Schmitz, K.; Shapiro-Albert, B. J.; Siemens, X.; Simon, J.; Siwek, M. S.; Fiscella, S. V. S.; Stairs, I. H.; Stinebring, D. R.; Stovall, K.; Susobhanan, A.; Swiggum, J. K.; Taylor, S. R.; Turner, J. E.; Unal, C.; Vallisneri, M.; van Haasteren, R.; Vigeland, S. J.; Wahl, H. M.; Witt, C. A.; Young, O.: How to Detect an Astrophysical Nanohertz Gravitational-Wave Background. The Astrophysical Journal 959 (1), 9 (2023)
