Wie Multimessenger-Astronomie Hinweise auf den Kosmos liefert

Astronomen hatten ein Blockbusterjahr.

Sie haben nicht nur eine kosmische Quelle von Neutrinos aufgespürt, sondern auch die Verschmelzung von zwei stadtgroßen Neutronensternen entdeckt, die massereicher als die Sonne sind.

Die Entdeckungen wurden als Beweis dafür angekündigt, dass eine "neue Ära der Multimessenger-Astronomie" eingetreten ist.

Was ist Multimessenger-Astronomie?

In unserem täglichen Leben interpretieren wir die Welt um uns herum anhand verschiedener Signale wie Schallwellen, Licht (eine Art elektromagnetischer Welle) und Hautdruck. Jedes dieser Signale kann von einem anderen "Boten" übertragen werden. Neue Boten führen zu neuen Erkenntnissen. Die Astronomen haben daher mit Begeisterung einen neuen Satz von Botschaftern für ihre Wissenschaft begrüßt.

Viele Boten

Während des größten Teils der Geschichte der Astronomie untersuchten die Wissenschaftler hauptsächlich Signale, die von einem einzigen Boten, der elektromagnetischen Strahlung, übertragen wurden. Diese Wellen, die sich durch Raum und Zeit bewegen, werden durch ihre Wellenlänge oder die Energiemenge beschrieben, die in ihren Teilchen, den Photonen, zu finden ist.

Radiowellen haben Photonen mit der geringsten Energiemenge und den längsten Wellenlängen, gefolgt von infrarotem und optischem Licht bei mittleren Energien und Wellenlängen. Röntgen- und Gammastrahlen haben die kürzesten Wellenlängen und die höchste Energie.

Wissenschaftler untersuchen aber auch andere Boten:

• Kosmische Strahlung: Geladene Atomteilchen und Kerne, die sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.
• Neutrinos: ungeladene Teilchen, die den Großteil des Universums für transparent halten.
• Gravitationswellen: Falten im Gewebe von Raum und Zeit.

Und während einige Bereiche der Astronomie diese Boten seit Jahren erforschen, haben Astronomen erst in letzter Zeit Ereignisse von weit außerhalb der Milchstraße mit mehr als einem Boten gleichzeitig beobachtet. In nur wenigen Monaten verdoppelte sich die Anzahl der Quellen, aus denen Astronomen die Signale verschiedener Boten zusammenstellen können.

Wie ein Spaziergang am Strand

Multimessenger-Astronomie ist eine natürliche Entwicklung der Astronomie. Wissenschaftler benötigen mehr Daten, um ein vollständiges Bild der von ihnen untersuchten Objekte zu erstellen und die von ihnen entwickelten Theorien mit ihren Beobachtungen abzugleichen.

Astronomen haben verschiedene Wellenlängen von Photonen kombiniert, um einige der Geheimnisse des Universums zusammenzusetzen. Beispielsweise spielte die Kombination von Radio- und optischen Daten eine entscheidende Rolle dafür, dass die Milchstraße 1951 eine Spiralgalaxie ist.

Die Astronomie offenbart mit einem einzigen Boten, den Photonen, weiterhin großartige Ergebnisse über unser Universum. Wenn die Multimessenger-Astronomie nur ein evolutionärer Schritt einer unglaublichen Erfolgsgeschichte ist, heißt das dann, dass es nur ein neues Schlagwort ist?

Wir denken nicht so.

Stellen Sie sich vor, Sie laufen an einem Meeresstrand entlang. Sie genießen den Anblick eines unglaublichen Sonnenuntergangs, hören die rollenden Wellen, fühlen den Sand unter Ihren Füßen und riechen die salzige Luft. Ihre kombinierten Sinne bilden ein umfassenderes Erlebnis.

Mit der Multimessenger-Astronomie hoffen wir, durch die Kombination mehrerer Boten mehr aus dem Universum zu lernen, wie wir Sehen, Hören, Berühren und Riechen kombinieren.

Aber es ist nicht immer ein Picknick

Die Kulturen von Astronomen und Teilchenphysikern vertreten unterschiedliche Ansätze der Wissenschaft. In der Multimessenger-Astronomie kollidieren diese Kulturen.

Astronomie ist ein Beobachtungsfeld und kein Experiment. Wir untersuchen astronomische Objekte, die sich im Laufe der Zeit ändern (Zeitbereich-Astronomie). Dies bedeutet, dass wir oft nur eine Gelegenheit haben, ein transientes astronomisches Ereignis zu beobachten.

Bis vor kurzem arbeiteten die meisten Zeit-Astronomen in kleinen Teams, an vielen Projekten gleichzeitig. Wir nutzen Ressourcen wie The Astronomer's Telegram oder das Gamma-ray-Koordinationsnetzwerk, um Ergebnisse schnell zu kommunizieren, noch bevor wissenschaftliche Arbeiten eingereicht werden.

Da die meisten der erwarteten Quellen für Multimessenger-Signale transiente astronomische Ereignisse sind, ist es ein großer Aufwand, die Boten neben den Photonen einzufangen.

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Teilchenphysiker haben den Weg geebnet, um große internationale Kooperationen zu schaffen, um ihre schwierigsten Probleme zu lösen, darunter der Large Hadron Collider, das IceCube Neutrino Observatory und das Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO). Um hunderte bis tausende von Forschern auf gemeinsame Ziele hinzuarbeiten, sind eine umfassende Identifizierung der Rollen, strikte Kommunikationsrichtlinien und viele Telefonkonferenzen erforderlich.

Die Notwendigkeit, auf rasche Veränderungen in einer Multimessungsquelle zu reagieren, und der enorme Aufwand zur Erfassung von Multimessersignalen erfordern die Vereinigung von Astronomie und Teilchenphysik, um das Beste aus beiden Kulturen zu erzielen.

Die Vorteile der Multimessenger-Astronomie

Während die Multimessenger-Astronomie eine Entwicklung dessen ist, was Astronomen und Teilchenphysiker seit Jahrzehnten getan haben, sind die kombinierten Ergebnisse faszinierend.

Die Detektion von Gravitationswellen aus verschmelzenden Neutronensternen bestätigte, dass diese Kollisionen einen großen Teil des Goldes und Platins auf der Erde (und im gesamten Universum) ausmachten. Es zeigte sich auch, wie diese Kollisionen zu (zumindest einigen) kurzen Gammastrahlenausbrüchen führen - der Ursprung dieser explosiven Ereignisse war in der Astronomie eine große offene Frage.

Die erste Assoziation eines Neutrinos mit einer einzigen astronomischen Quelle bot einen Einblick, wie das Universum seine energiereichsten Teilchen herstellt. Die Multimessenger-Astronomie enthüllt Details über einige der extremsten Bedingungen in unserem Universum.

Die Multimessenger-Perspektive bringt bereits mehr ein als die Summe ihrer Teile - und wir werden in Zukunft weitere überraschende Entdeckungen erwarten. Eliteteams in ganz Kanada tragen bereits zum Wachstum dieses jungen Feldes bei, und die Multimessenger-Astronomie verspricht, in unserem nächsten Jahrzehnt astronomischer Forschung in Kanada - und weltweit - eine wichtige Rolle zu spielen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich bei The Conversation von Gregory Sivakoff und Daryl Haggard veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.