Ein internationales wissenschaftliches Team unter der Leitung von Forschern der Beijing Normal University hat die ersten direkten Gravitationswellen-Einschränkungen für die Massen von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher bekannt gegeben, die in der Ära der sogenannten kosmischen Morgendämmerung existierten. Die Arbeit nutzte 18 Jahre gesammelter Beobachtungen des australischen Projekts Parkes Pulsar Timing Array, wodurch das Vorhandensein von binären Schwarzen Löchern mit einer Gesamtmasse in der Größenordnung von 10 Milliarden Sonnenmassen in zwei weit entfernten Systemen ausgeschlossen werden konnte. Nach Angaben der Autoren sind dies die ersten derartigen Grenzwerte für Objekte in einer so frühen kosmologischen Epoche, als das Universum erst hunderte Millionen Jahre alt war.

Wie Pulsare als kosmische Uhren dienen

Das Parkes Pulsar Timing Array ist ein Netzwerk aus Dutzenden von Millisekunden-Pulsaren – schnell rotierenden Neutronensternen, die streng periodische Radioimpulse aussenden. Aufgrund der außergewöhnlichen Stabilität ihrer Rotation fungieren Pulsare als natürliche Chronometer: Eine durchlaufende Gravitationswelle im Nanohertz-Bereich von einem umlaufenden Paar supermassereicher Schwarzer Löcher verursacht charakteristische Abweichungen in der Ankunftszeit der Pulse. Eine Schlüsselbedingung für die Erkennung ist, dass solche Abweichungen gleichzeitig in den Beobachtungen mehrerer Pulsare auftreten müssen, was es ermöglicht, das Signal von lokalem Rauschen zu trennen. Genau diese Methode ist seit einigen Jahren das Hauptinstrument zur Suche nach Gravitationswellen mit orbitalen Umlaufperioden von einigen Jahren.

Die Korrektur der Rotverschiebung verändert das Bild

Die zentrale methodische Neuerung der Studie war die Einbeziehung der kosmologischen Rotverschiebung in die Berechnung der Empfindlichkeit der Pulsarmethode. Frühere Ansätze berücksichtigten die Dehnung von Gravitationswellen bei der Expansion des Universums kaum. Die Autoren zeigten, dass ein fernes binäres System für einen irdischen Beobachter heller erscheinen kann, als es ein einfaches Modell der Signaldämpfung mit der Entfernung vorhersagt: Aufgrund der Rotverschiebung wird die Welle bei einer niedrigeren Frequenz empfangen, als sie ausgesandt wurde, was bedeutet, dass sich die Schwarzen Löcher zum Zeitpunkt der Emission näher beieinander befanden, schneller bewegten und ein intensiveres Signal erzeugten. Bei einer ausreichend großen Rotverschiebung kompensiert diese Verstärkung teilweise die durch die enorme Entfernung bedingte Dämpfung. Infolgedessen weiteten die Forscher die Empfindlichkeitsschätzung der Pulsarmethode auf Objekte mit einer Rotverschiebung von bis zu 20 aus, was der Epoche entspricht, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war.

Zwei Systeme am Rande des beobachtbaren Universums

Um den neuen Ansatz zu überprüfen, wählten die Autoren zwei Systeme aus. Das erste ist der helle Quasar J0100+2802 mit einer Rotverschiebung von 6,327, dessen Strahlung emittiert wurde, als das Universum nicht älter als 900 Millionen Jahre war. Das zweite ist die Galaxie JADES-GS-z14-0, die vom James-Webb-Weltraumteleskop bei einer Rotverschiebung von 14,32 entdeckt wurde, d. h. weniger als 300 Millionen Jahre nach dem Urknall. Für beide Systeme konnte eine Obergrenze für den Wert festgelegt werden, der die Gesamtmasse der beiden Schwarzen Löcher charakterisiert und die Parameter des erwarteten Gravitationssignals bestimmt. Die gewonnenen Daten schließen die Existenz von Systemen mit einer Masse in der Größenordnung von 10 Milliarden Sonnenmassen und mehr aus, obwohl die aktuelle Empfindlichkeit noch nicht ausreicht, um eindeutig festzustellen, ob diese Objekte selbst binär sind.

Bedeutung für die Kosmologie und Perspektiven

Das Ergebnis eröffnet einen grundlegend neuen Kanal zur Untersuchung, wie supermassereiche Schwarze Löcher ihre Masse in den frühesten Ären des Universums auf Milliarden von Sonnenmassen steigern konnten – eine Frage, die eines der zentralen Rätsel der modernen Kosmologie bleibt. Die Autoren betonen, dass mit der Zusammenführung der Daten des Parkes Pulsar Timing Array mit den Ergebnissen anderer Pulsar-Arrays und in Zukunft mit den Beobachtungen des Radioteleskops Square Kilometre Array die Einschränkungen für die Massen binärer Systeme wesentlich präziser werden. Dies wird Astrophysiker der direkten Überprüfung konkurrierender Szenarien für das Wachstum früher Schwarzer Löcher näher bringen, einschließlich solcher Szenarien, in denen sie sich vorwiegend durch aufeinanderfolgende Verschmelzungen bildeten und an Masse gewannen.