Vor fast 100 Jahren entwickelte Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie, die das Phänomen der Schwerkraft auf die geometrischen Eigenschaften der Raumzeit zurückführt. Daraus ergab sich eine Vielzahl von Vorhersagen, von denen viele für jemanden, der mit einer newtonschen Weltanschauung aufgewachsen war, sehr gewöhnungsbedürftig waren. Eine dieser Vorhersagen lautete, dass beschleunigte Massen Wellen im Raum-Zeit-Gefüge erzeugen könnten, ähnlich wie die Wellen auf der Oberfläche eines Sees, die durch einen hineingeworfenen Stein ausgelöst werden. Diese als Gravitationswellen bezeichneten Wellen breiten sich nahezu ungestört mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum aus und tragen einzigartige Informationen über die Quellen mit sich, durch die sie entstehen.

Es dauerte genau ein Jahrhundert, bis Wissenschaftler im Jahr 2015 mithilfe der bodengestützten Interferometer von LIGO (USA) den ersten experimentellen Nachweis für die Existenz von Gravitationswellen erbrachten. Solche Instrumente sind empfindlich für hochfrequente Gravitationswellen im Bereich von einigen Hundert bis Tausend Hertz. Diese werden hauptsächlich von kompakten Objekten wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen mit typischen Massen von einigen wenigen bis zu Hunderten von Sonnenmassen ausgesendet. Gravitationswellen bei diesen Frequenzen entstehen am effizientesten, wenn diese Objekte sich in Doppelsternsystemen mit einer Umlaufgeschwindigkeit von etwa 100 Umdrehungen pro Sekunde umkreisen.

Verbund aus Pulsaren

Im Gegensatz zu bodengestützten Interferometern bieten Pulsar Timing Arrays (PTAs) eine einzigartige Möglichkeit, den Gravitationswellenhimmel bei viel niedrigeren Frequenzen im Bereich von milliardstel Hertz (Nanohertz) zu untersuchen. Solche Signale mit langer Periode können nur von deutlich langsameren und schwereren Systemen erzeugt werden, die aus extrem massereichen Schwarzen Löchern bestehen. Derartige Paare haben typischerweise eine Masse, die mindestens eine Million Mal so groß ist wie die der Sonne. Wie der Name schon sagt, basieren PTAs auf der Beobachtung von Pulsaren. Dabei handelt es sich um stark magnetisierte Neutronensterne in unserer Galaxie, die sich schnell – und vor allem stabil – um sich selbst drehen und elektromagnetische Strahlung von ihren Magnetpolen aussenden. Während sich der Pulsar dreht, können wir diese Strahlen als eine sehr regelmäßige Folge von Radiosignalen empfangen, sofern der Strahl auf die Erde gerichtet ist. Wenn sich diese Pulse durch die gekrümmte Raumzeit ausbreiten und dabei vom Durchgang einer Gravitationswelle gestört werden, weichen sie von ihrem sonst regelmäßigen Verhalten ab. Dies bedeutet, dass einige der Radiowellen später oder früher als erwartet eintreffen. Indem wir diese Abweichungen in der Ankunftszeit der Pulse über viele Jahre hinweg mit sehr hoher Präzision messen, können wir nach Gravitationswellen im Nanohertzbereich suchen.

Spezielle Kampagnen auf der ganzen Welt überwachen regelmäßig die stabilsten rotierenden Pulsare mithilfe verschiedener Radioteleskope. In der Regel steigt die Empfindlichkeit solcher Experimente gegenüber Gravitationswellensignalen mit der Anzahl der Pulsare in einem PTA und der Gesamtdauer der Beobachtungen. So liefert beispielsweise ein europäisches Forschungsprojekt, das European Pulsar Timing Array (EPTA), den bislang längsten Datensatz. Über mehr als zwei Jahrzehnte hinweg beobachtete das EPTA-Team rund 100 Pulsare mit einigen der empfindlichsten Radioantennen in Europa, darunter das 100-Meter-Effelsberg-Radioteleskop.

All diese harte Arbeit hat sich ausgezahlt: Im Jahr 2023 berichteten fünf unabhängige PTA-Kollaborationen in Nordamerika, Australien, China, Indien und das EPTA in Europa über Hinweise auf einen stochastischen Gravitationswellenhintergrund in den jeweiligen Datensätzen. Dieser Hintergrund trifft aus allen Himmelsrichtungen mit nahezu gleicher Intensität ein; es ist also eine isotrope Strahlungsform. Die plausibelste Hypothese ist, dass ein solches Signal nicht von einem einzelnen Doppelsternsystem erzeugt wird, sondern vielmehr von der gesamten Population von Tausenden bis Millionen Paaren extrem massereicher Schwarzer Löcher im Universum. Durch die Untersuchung eines solchen stochastischen Hintergrunds konnten wir Eigenschaften wie Massen, Bahnformen (Exzentrizitäten) und eine typische Zeitskala der Verschmelzung von Schwarzen Löchern eines Paares messen. Diese Analyse liefert jedoch nur Durchschnittswerte für die gesamte Population.

Würde hingegen ein Gravitationswellensignal von einer einzelnen Quelle detektiert, das stark genug ist, um sich vom isotropen Hintergrund abzuheben, könnten wir die einzigartigen Eigenschaften der Quelle untersuchen, was einen bedeutenden Meilenstein für die PTA-Teams darstellen würde. Forschende haben parallel zur Suche nach einem stochastischen Hintergrund nach solchen Einzelsystemen gesucht. Bislang wurden allerdings keine überzeugenden Signale gefunden, was die Entwicklung neuer Methoden und Analysewerkzeuge erforderlich machte, um den Fortschritt in diesem Bereich zu beschleunigen.

Exotische Duos

Wir verfügen über zahlreiche Beobachtungsbelege, die darauf hindeuten, dass einzelne extrem massereiche Schwarze Löcher existieren. Zu den auffälligsten zählen die beobachteten »Schatten« der Schwarzen Löcher in den Zentren von Messier 87 und Sagittarius A*. Diese berühmten Radiobilder wurden in den Jahren 2019 beziehungsweise 2022 mit dem Event Horizon Telescope gemacht und ähneln »Donuts«. Es handelt sich dabei um den leuchtenden Akkretionsfluss in unmittelbarer Umgebung der Schwarzen Löcher.

Groß angelegte Beobachtungskampagnen zeigen, dass es immer wieder zu Verschmelzungen von ganzen Galaxien kommt. In früheren kosmischen Entwicklungsphasen trat das häufiger auf, weil das Universum kleiner und die Anzahldichte der Galaxien höher war. Im Zuge dieser Verschmelzungen kommen sich auch die zentralen Schwarzen Löcher inmitten der Galaxien näher. Nach etwa einer Million Jahren bilden diese einst isolierten Zentralobjekte ein gravitativ gebundenes System, das Gravitationswellen aussenden kann, die im Frequenzband von PTAs nachweisbar sind. Bislang gibt es nur ein bestätigtes Beispiel für zwei extrem massereiche Schwarze Löcher, die gravitativ aneinander gebunden sind und im elektromagnetischen Spektrum nachgewiesen wurden. Die beiden Komponenten sind nur rund zehn Parsec (gut 30 Lichtjahre) voneinander entfernt, was jedoch immer noch zu weit ist, um Gravitationswellen mit einer nachweisbaren Amplitude auszusenden. Um enger beieinanderliegende Doppelsterne aufzuspüren, stützen sich Forschende auf indirekte Beobachtungen im Zusammenhang mit periodischen und quasiperiodischen Schwankungen, die hauptsächlich bei Wellenlängen im Visuellen, im Röntgen- oder Radioband beobachtet werden. Diese Methoden zur Identifizierung von Paaren Schwarzer Löcher sollten allerdings mit Vorsicht betrachtet werden, da solche Helligkeitsschwankungen auch auf Einzelquellen und ihre Akkretionsscheiben zurückzuführen sein mögen, was zu falsch-positiven Kandidaten führen kann.

Gezielte Suche

Die Standardmethode, um die Signale einzelner Duos extrem massereicher Schwarzer Löcher zu finden, ist die sogenannte blinde Analyse. Dabei werden alle Himmelspositionen als Orte für Quellen als gleich wahrscheinlich angesehen. In einer im Frühjahr 2026 veröffentlichten Studie stellen Chiara Mingarelli, Physikprofessorin der Yale University, und ihr Team von NANOGrav, einer in Nordamerika ansässigen PTA-Kollaboration, eine umfassende Richtgröße für eine alternative Strategie zur Suche nach Signalen einzelner Systeme vor. Im Gegensatz zur blinden Suchstrategie nutzt man bei der gezielten Variante eine Reihe vorab festgelegter Positionen am Himmel. Diese Koordinaten, aber auch Umlaufzeiten und Entfernungen zu den Kandidaten, wurden aus verschiedenen Durchmusterungen im elektromagnetischen Spektrum extrahiert, darunter der Catalina Real-Time Transient Survey und die Zwicky Transient Facility. Durch die Festlegung dieser Parameter konnten die Autoren die Empfindlichkeit an bestimmten Stellen am Himmel im Vergleich zu einer blinden Suche um den Faktor 20 erhöhen.

Warum ist die gezielte Suche so effektiv? Wir können eine einfache Parallele ziehen. Stellen Sie sich vor, Sie kommen zu spät zu einem Termin und können Ihre Schlüssel nicht finden. Nach 15 Minuten verzweifelter Suche in der Wohnung finden Sie sie schließlich unter dem Stuhl, wo sie aus der Tasche Ihrer Jeans gefallen sind. Stellen Sie sich nun vor, dass Sie, anstatt überall blind nach Ihren Schlüsseln zu suchen, nur die Stellen ins Visier nehmen, an denen sie am wahrscheinlichsten zu finden sind. Eine Minute wäre die gesamte Zeit, die Sie benötigen, um die Suche abzuschließen. Genau so funktioniert die gezielte Suche nach Paaren massereicher Schwarzer Löcher.

Natürlich werden solche Analysen nicht manuell durchgeführt, sondern mithilfe spezieller Software. Das Prinzip bleibt jedoch dasselbe: Je besser man weiß, wo man suchen muss, desto größer sind die Chancen, das Gesuchte zu finden. Mingarelli und ihre Mitarbeiter untersuchten 114 Kandidaten, bei denen im elektromagnetischen Spektrum Schwankungen der Strahlungsintensität festgestellt wurden. Obwohl diese Analyse empfindlicher war als eine blinde Suche, ragten nur zwei Kandidaten geringfügig über das Rauschniveau hinaus. Es handelt sich dabei um J1536+0411 und J0729+4008 – Kandidaten für Duos massereicher Schwarzer Löcher, die etwa 4,2 Millionen beziehungsweise eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt sind. Allerdings wurde das erforderliche Niveau an statistischer Signifikanz noch nicht erreicht, um eine Detektion von Gravitationswellen bei diesen Kandidaten gesichert zu behaupten.

Wie können wir das verbessern?

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Ergebnisse zu verbessern und in naher Zukunft einzelne Signale nachzuweisen. Ein mögliches Problem könnte sein, dass wir in den Daten einfach nach dem falschen Signalmuster suchen. Das NANOGrav-Team suchte nach Gravitationswellen von Systemen, bei denen sich die Partner auf Kreisbahnen umrunden. Dies impliziert, dass das Signal einer einfachen Sinuswelle sehr nahekommt, deren Periode halb so lang ist wie die Umlaufzeit des Systems. In Wirklichkeit können diese Paare, wie mehrere Studien zeigen, auf stark exzentrischen, eher ovalen Umlaufbahnen liegen. Das verändert stark die Signalform. Die Verwendung der ungenauen kreisförmigen Signalform für die Suche nach exzentrischen Paaren führt zu einem spürbaren Rückgang der Nachweisqualität und der Gesamtempfindlichkeit. Um bei der Analogie mit dem Schlüssel zu bleiben: Es ist, als würden wir versuchen, ein elektronisches Schloss mit einem Einsteckschlüssel zu öffnen.

Zwei Forschende der EPTA-Kollaboration, Sara Manzini und Stanislav Babak, leiteten die exakten Gravitationswellenformen ab, die das Signal der exzentrischen Systeme beschreiben. Die beiden gaben bekannt, dass eine gezielte Suche mit den aktualisierten exzentrischen Vorlagen im kommenden EPTA-Datensatz bis Ende 2026 abgeschlossen sein soll.

Ein weiterer möglicher Grund für eine Nichtdetektion könnte mit der mangelnden Empfindlichkeit des NANOGrav-Datensatzes gegenüber bestimmten Regionen am Himmel zusammenhängen. Befindet sich eine Ansammlung von Pulsaren in einem bestimmten Bereich des Himmels, erhöht sich die Empfindlichkeit in dieser Richtung. Kathrin Grunthal, Doktorandin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, und ihre Mitarbeiter zeigten, wie stark die Empfindlichkeit von PTAs von der Verteilung der Pulsare auf der Himmelskugel abhängt. Basierend auf diesen Ergebnissen schlugen wir ein neuartiges Schema vor, um die Identifikation von Zielen in PTA-Datensätzen mit anisotroper Pulsarverteilung zu verbessern.

Radioteleskope auf der südlichen Hemisphäre können die blinden Flecken der PTAs der nördlichen Hemisphäre wie NANOGrav oder EPTA ausgleichen. Beatrice Eleonora Moreschi, Doktorandin an der Universität Milano-Bicocca, verfolgt derzeit eine gezielte Suche unter Verwendung der Daten des MeerKAT-Radiointerferometers, des empfindlichsten Instruments auf der südlichen Hemisphäre. Laut der Forscherin lassen sich einige interessante Kandidaten mit einer im Vergleich zur Studie von Mingarelli erhöhten Empfindlichkeit untersuchen.

Noch ehrgeizigere Pläne bestehen für einen bevorstehenden Datensatz des Forschungskonsortiums International Pulsar Timing Array (IPTA), das Daten von fast allen regionalen PTAs zusammenführt. Im Vergleich zu einzelnen PTAs wird die wesentlich homogenere Himmelsabdeckung des IPTA und damit seine isotropere Empfindlichkeit über den gesamten Himmel die gezielte Suche nach Paaren extrem massereicher Schwarzer Löcher auf eine ganz neue Ebene heben. Der Nachweis von Gravitationswellen, welche diese Systeme aussenden, steht also kurz bevor. Alles, was wir benötigen, ist der passende Schlüssel für das Schließfach.