Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

Tief in der Stille zwischen den Sternen, weit jenseits der schützenden Blase unserer Sonne, lauscht ein Paar Raumsonden seit Jahrzehnten einem leisen, stetigen Summen. Dies sind die Voyager-Sonden, die ersten von Menschen geschaffenen Objekte, die das wahre interstellare Medium betreten haben – den riesigen Ozean aus Gas und Staub, der den Raum zwischen den Sternen füllt. Seit Mitte der 1980er Jahre, und auch noch lange nachdem sie die als Heliopause bekannte Grenze überschritten hatten, haben ihre Instrumente Plasmaoszillationen registriert – Wellenbewegungen im elektrisch geladenen Gas des Weltraums –, die mit einer Frequenz von etwa 3.000 Zyklen pro Sekunde vibrieren. Seit vierzig Jahren versuchen Wissenschaftler, die Quelle dieses kosmischen Rauschens zu identifizieren. Während einige Theorien nahelegten, dass die Wellen durch Sonnenstürme verursacht wurden, die an den Rand unseres Sonnensystems prallten, wuchs der Zweifel daran, dass unsere eigene Sonne für Signale verantwortlich sein könnte, die beständig fortbestehen, lange nachdem die Sonnenaktivität abgeklungen ist. Die Frage bleibt: Was erzeugt diese stetigen, niederfrequenten Wellen in der tiefen Dunkelheit?

Eine neue Studie schlägt eine radikale Antwort vor und deutet darauf hin, dass die Quelle nicht in unserem Sonnensystem liegt, sondern im gewaltsamen Leben toter Sterne. Die Forscher Preston Jones, Pragati Pradhan und Douglas Singleton untersuchen einen theoretischen Mechanismus, bei dem die Gravitationswellen, die von Neutronensternen emittiert werden, die elektromagnetische Strahlung erzeugen könnten, die Voyager hört. Neutronensterne sind die unglaublich dichten, kollabierten Kerne massiver Sterne, die explodiert sind. Einige dieser Sterne rotieren hunderte Male pro Sekunde, und während sie rotieren, können sie Wellen in das Gefüge von Raum und Zeit senden, die als Gravitationswellen bekannt sind. Die Arbeit legt nahe, dass diese Gravitationswellen, während sie durch den Weltraum reisen, mit dem Vakuum selbst interagieren können, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen – ein Prozess, den die Autoren „Koproduktion“ nennen.

Die Logik dieser Verbindung beruht auf einer spezifischen Kette von Ereignissen unter Einbeziehung der Frequenz. Die am schnellsten rotierenden Neutronensterne können mit etwa 700 Mal pro Sekunde rotieren. Wenn ein solcher Stern Gravitationswellen aussendet, sagt die Theorie voraus, dass diese Wellen mit dem Doppelten der Rotationsrate, also etwa 1.400 Mal pro Sekunde, oszillieren würden. Die Koproduktionstheorie legt dann nahe, dass diese Gravitationswellen wiederum elektromagnetische Wellen mit der doppelten ihrer eigenen Frequenz erzeugen würden. Dies führt zu einem endgültigen Signal, das mit etwa 3.000 Mal pro Sekunde vibriert, was exakt der Frequenz der von Voyager detektierten Plasmaoszillationen entspricht. Diese mathematische Übereinstimmung bietet eine überzeugende Erklärung dafür, warum die Signale genau diese Tonhöhe haben, ein Detail, mit dem frühere Theorien auf Basis der Sonne Schwierigkeiten hatten.

Die Autoren weisen jedoch vorsichtig darauf hin, dass es sich hierbei um einen Vorschlag handelt, der auf theoretischen Berechnungen basiert, und nicht um eine bestätigte Entdeckung. Sie berechnen, dass ein Neutronstern ein Signal erzeugen müsste, das stark genug ist, um von Voyager gehört zu werden, was eine relativ geringe Entfernung innerhalb eines theoretischen Limits von etwa 150 Parsec (ca. 490 Lichtjahre) und eine extrem hohe Energie voraussetzt. Die Arbeit identifiziert die als Cassiopeia A und Vela Jr. bekannten Überreste von Supernovae als wahrscheinliche Kandidaten für die Erzeugung solch energiereicher Gravitationswellen, merkt jedoch an, dass der Vela-Pulsar selbst etwa doppelt so weit von der Erde entfernt ist wie dieses geschätzte Grenzlimit, was ihn zu einer weniger wahrscheinlichen Quelle für die spezifischen Voyager-Beobachtungen macht. Die Forscher erwägen auch, wie die Signale über Jahre hinweg bestehen bleiben können. Sie schlagen vor, dass, obwohl der anfängliche Energieausbruch eines Neutronenstern-Ereignisses kurz sein mag, die resultierenden Wellen im interstellaren Plasma durch die einzigartigen Eigenschaften des Raums zwischen den Sternen aufrechterhalten werden können, ähnlich wie eine Glocke, die noch lange nach dem Anschlag weiter nachklingt.

Die Studie betrachtet auch den breiteren Kontext dessen, was Voyager beobachtet hat. Die Raumsonde hat kosmische Strahlen detektiert – hochenenergetische Teilchen –, die in einer Rate eintreffen, die grob der Frequenz von „Glitches“, also plötzlichen Beschleunigungen in der Rotation bekannter Neutronensterne, entspricht. Diese Korrelation verleiht der Idee Gewicht, dass Neutronensterne die Quelle der Aktivität sind, die Voyager bezeugt. Wenn die Plasmaoszillationen tatsächlich das Ergebnis von Gravitationswellen sind, die in Radiowellen umgewandelt werden, würde dies bedeuten, dass die Voyager-Sonden effektiv als Detektoren für eine Art von Gravitationswelle fungieren, die aktuelle erdgebundene Observatorien nicht sehen können. Bestehende Detektoren sind auf viel niedrigere Frequenzen abgestimmt und würden diese schnellen, hochfrequenten Signale verpassen.

Die Autoren betonen, dass der stärkste Beweis für diese Theorie in einer gleichzeitigen Detektion eines Gravitationswellensignals bei 1.500 Zyklen pro Sekunde und der Plasmaoszillation bei 3.000 Zyklen pro Sekunde bestünde. Sie untersuchten Daten aus dem Sommer 2017, als Voyager ein kosmisches Strahlungsereignis und eine Plasmaoszillation registrierte, und stellten fest, dass zu diesem Zeitpunkt kein Gravitationswellensignal gemeldet wurde. Das Paper stellt jedoch klar, dass das Ausbleiben der Detektion konsistent mit der Tatsache ist, dass die Quelle außerhalb der aktuellen Hochfrequenz-Empfindlichkeitsgrenzen der Detektoren liegt, und kein definitives negatives Ergebnis einer spezifischen Suche in diesem Fenster darstellt. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass die Beweise zwar noch nicht eindeutig sind, die Koproduktionstheorie jedoch eine plausible, physikalisch konsistente Erklärung für ein Rätsel liefert, das seit Jahrzehnten besteht. Sie legt nahe, dass das Summen, das Voyager hört, das Echo der Rotation eines sterbenden Sterns ist, transformiert durch die Gesetze der Physik in einen Klang, der durch die Galaxie reisen kann.