Wissenschaftler fanden das Zentrum des Sonnensystems, und es'ist nicht dort, wo Sie denken
Wenn wir an die Erde und ihre Nachbarplaneten denken, die um unseren gemeinsamen Wirtsstern kreisen, stellen wir uns das Zentrum des Sonnensystems als mitten in der Sonne vor. Doch das stimmt nicht ganz, wie neue Forschungen zeigen.
Die Planeten und die Sonne kreisen tatsächlich um ein gemeinsames Massenzentrum. Und zum ersten Mal hat ein Team von Astronomen das Zentrum des gesamten Sonnensystems auf 100 Meter genau bestimmt – die bisher genaueste Berechnung.
Die Ergebnisse sind in einer Studie detailliert, die im April im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, und werden Astronomen bei ihrer Suche nach Gravitationswellen helfen, die im Universum von Objekten wie supermassiven schwarzen Löchern ausgesendet werden.
Das gesamte Sonnensystem, einschließlich der Sonne, hat ein Baryzentrum, oder ein gemeinsames Massenzentrum aller Objekte des Sonnensystems, um das sie kreisen.
Entgegen der landläufigen Meinung ist das Baryzentrum des Sonnensystems nicht das Zentrum der Sonne. Das liegt daran, dass Planeten und andere Körper des Sonnensystems einen gravitativen Zug auf den Stern ausüben, der ihn ein wenig wackeln lässt.
Das Baryzentrum des Sonnensystems liegt stattdessen ein wenig außerhalb der Sonnenoberfläche. Wo genau dieses Zentrum liegt, konnten die Wissenschaftler allerdings noch nicht feststellen.
Der Grund, warum das so schwierig ist, liegt unter anderem am Jupiter, dem größten Planeten des Sonnensystems. Aufgrund seiner großen Masse übt Jupiter die mit Abstand stärkste Anziehungskraft auf die Sonne aus.
Das Wissenschaftlerteam hinter der neuen Studie konnte jedoch die Lage des Baryzentrums auf 100 Meter eingrenzen – eine sehr geringe Spanne angesichts der kolossalen Größe des Sonnensystems – und fand heraus, dass es direkt über der Oberfläche der Sonne liegt.
Das Geheimnis für ihre genauen Messungen – Pulsare. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, oder die superdichten Überreste eines Sterns, der in einer Supernova explodiert ist. Diese Sterne emittieren elektromagnetische Strahlung in Form von hellen, schmalen Strahlen, die in einer kreisförmigen Bewegung über den Kosmos fegen, während sich der Stern selbst dreht, eine Art Leuchtturm.
Beobachtet man die Sterne aus der Ferne, sieht es so aus, als würden sie in regelmäßigen Lichtblitzen pulsieren, daher haben sie auch ihren Namen.
„Mit den Pulsaren, die wir in der Milchstraßengalaxie beobachten, versuchen wir, wie eine Spinne zu sein, die in der Mitte ihres Netzes still sitzt“, sagte Stephen Taylor, ein Physiker und Astronom an der Vanderbilt University und Hauptautor der Studie, in einer Erklärung. „Wie gut wir das Baryzentrum des Sonnensystems verstehen, ist entscheidend, wenn wir versuchen, auch nur das kleinste Kribbeln im Netz zu spüren.“
Von der Erde aus werden die von den Pulsaren ausgesandten Strahlen als regelmäßig auftretende Pulssignale erkannt. Mit Hilfe dieser Signale konnte das Astronomenteam die Entfernung der Erde zu anderen Objekten im Sonnensystem genauer messen, einschließlich des Baryzentrums.
Nun, da die Astronomen eine genauere Messung haben, wo das Baryzentrum des Sonnensystems liegt, können sie im Gegenzug viel genauere Nachweise von niederfrequenten Gravitationswellen machen.
Gravitationswellen sind Wellen in Raum und Zeit, die von massereichen Objekten wie supermassiven Schwarzen Löchern verursacht werden, die diese Wellen mit Lichtgeschwindigkeit nach außen abstrahlen.
„Durch die präzise Beobachtung von Pulsaren, die über die gesamte Galaxie verstreut sind, haben wir uns im Kosmos besser lokalisiert, als wir es jemals zuvor konnten“, sagte Taylor. „Indem wir auf diese Weise Gravitationswellen finden, gewinnen wir zusätzlich zu anderen Experimenten einen ganzheitlicheren Überblick über alle verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern im Universum.“
Abstract: Die Regelmäßigkeit der Pulsar-Emissionen wird deutlich, wenn man die Ankunftszeiten der Pulse auf das inertiale Ruhedatum des Sonnensystems bezieht. Daraus folgt, dass Fehler in der Bestimmung der Position der Erde in Bezug auf das Baryzentrum des Sonnensystems als zeitkorrelierte Verzerrung in den Restzeitreihen der Pulsarzeitmessung auftreten können, was sich auf die Suche nach niederfrequenten Gravitationswellen auswirkt, die mit Pulsarzeitmessungs-Arrays durchgeführt wird. Tatsächlich ergeben neuere Array-Datensätze unterschiedliche Obergrenzen für den Gravitationswellenhintergrund und Nachweisstatistiken, wenn sie mit verschiedenen Ephemeriden des Sonnensystems analysiert werden. Entscheidend ist, dass die Ephemeriden im Allgemeinen keine brauchbaren Fehlerdarstellungen liefern. In diesem Artikel beschreiben wir die Motivation, Konstruktion und Anwendung eines physikalischen Modells der Unsicherheiten von Sonnensystem-Ephemeriden, das sich auf die Freiheitsgrade (Jupiters Bahnelemente) konzentriert, die für die Gravitationswellensuche mit Pulsar-Timing-Arrays am wichtigsten sind. Dieses Modell, BayesEphem, wurde verwendet, um Ephemeriden-robuste Ergebnisse in der 11-jährigen stochastischen Hintergrundsuche von NANOGrav abzuleiten, und es bietet eine Grundlage für zukünftige Suchen von NANOGrav und anderen Konsortien. Die Analyse und Simulationen, über die hier berichtet wird, deuten darauf hin, dass die Ephemeriden-Modellierung die Gravitationswellen-Empfindlichkeit des 11-Jahres-Datensatzes reduziert und dass diese Entartung mit verbesserten Ephemeriden und mit Pulsar-Timing-Datensätzen, die weit über eine einzelne Jovianische Orbitalperiode hinausgehen, verschwinden wird.