Dunkle Materie ist eines der größten Geheimnisse der modernen Physik. Es wird angenommen, dass es den größten Teil der Materie im Universum ausmacht, seine Natur und Eigenschaften sind jedoch noch unbekannt. Wissenschaftler versuchen mit Hilfe verschiedener Experimente auf der Erde, Teilchen der Dunklen Materie nachzuweisen, doch bisher war keines davon erfolgreich.
Jetzt hat ein Forscherteam aus Indien und den USA eine neue Idee zur Suche nach Dunkler Materie mithilfe von Gravitationswellen vorgeschlagen, bei denen es sich um Wellen in der Raumzeit handelt, die durch turbulente kosmische Ereignisse verursacht werden. In einer Pressemitteilung schlagen die Forscher vor, dass sich dunkle Materieteilchen in Neutronensternen, den extrem dichten Überresten explodierter Sterne, ansammeln und diese zu Schwarzen Löchern kollabieren lassen können. Dieser Prozess erzeugt Gravitationswellen, die von Observatorien wie LIGO, VIRGO und KAGRA nachgewiesen werden können.
Die Forschung wurde von Sulagna Bhattacharya geleitet, einer Doktorandin am Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) in Mumbai. Sie erklärte, dass Teilchen der Dunklen Materie durch andere Kräfte als die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie interagieren und schließlich in Neutronensternen gefangen werden können. Wenn ein Teilchen der Dunklen Materie schwer genug ist und kein Antiteilchen hat, kann es einen dichten Kern im Inneren eines Neutronensterns bilden, der zu einem winzigen Schwarzen Loch kollabiert. Das Schwarze Loch absorbiert dann den Neutronenstern von innen und verwandelt ihn in ein Schwarzes Loch mit ähnlicher Masse.
Dieses Szenario würde schwarze Löcher mit geringer Masse erzeugen, die kleiner als die maximal mögliche Masse eines Neutronensterns sind, die nach aktuellen Theorien der Sternentwicklung etwa dem 2,5-fachen der Sonnenmasse entspricht. Anupam Ray, Co-Leiter der Arbeit, sagte: „Unter Parametern der Dunklen Materie, die noch durch kein anderes Experiment ausgeschlossen wurden, hätten sich alte Neutronenstern-Doppelsterne in dichten Regionen der Galaxie zu Schwarzen-Loch-Doppelsternen entwickeln sollen.“ Wenn wir keine ungewöhnlich kleinen Verschmelzungen sehen, stellt das neue Beschränkungen für die Dunkle Materie dar.“
Interessanterweise scheinen einige der von LIGO entdeckten Gravitationswellen, wie etwa GW190814 und GW190425, mit mindestens einem kompakten Objekt geringer Masse in Zusammenhang zu stehen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass es sich bei diesen Objekten um primordiale Schwarze Löcher handelt, also um uralte Schwarze Löcher, die als Folge von Dichteschwankungen im frühen Universum entstanden sind, wie Stephen Hawking und Yakov Zeldovich in den 1960er Jahren vermuteten.
Die LIGO-Koalition beschäftigt sich mit der Suche nach solchen exotischen Objekten und hat bestimmte Grenzen für deren Anzahl festgelegt. Eine neue Studie von Bhattacharya und seinen Kollegen zeigt, dass das gleiche Versäumnis, Verschmelzungen von Objekten geringer Masse mit LIGO zu erkennen, auch eine strenge Grenze für die Anzahl der Teilchen der Dunklen Materie mit sich bringt. Die Studie erforscht den Massenbereich von Dunkle-Materie-Partikeln außerhalb der Reichweite aktueller bodengestützter Experimente wie XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, insbesondere für schwere Dunkle-Materie-Partikel.
Die Forscher sagen auch voraus, dass zukünftige Gravitationswellendetektoren wie Advanced LIGO, Cosmic Explorer und das Einstein-Teleskop in der Lage sein werden, noch schwächere Wechselwirkungen schwerer dunkler Materie zu untersuchen, weit unterhalb des sogenannten „Neutrinobodens“, wo herkömmliche Detektoren für dunkle Materie auf den Hintergrund treffen Lärm von astrophysikalischen Neutrinos Wenn andererseits in Zukunft massearme Schwarze Löcher entdeckt werden, könnte dies wertvolle Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie liefern.
Diese Forschung eröffnet neue Grenzen bei der Suche nach der Entschlüsselung der Dunklen Materie und unterstreicht das Potenzial der Gravitationswellen nicht nur als wissenschaftliche Kuriosität, sondern als leistungsstarkes Werkzeug für grundlegende Entdeckungen auf dem Gebiet der gesamten Physik.
Abschließend stellen die Autoren eine ermutigende Bemerkung fest: „Gravitationswellendetektoren, die bereits eine wichtige Rolle bei der Bestätigung der Existenz von Schwarzen Löchern und Einsteins vorhergesagten Gravitationswellen gespielt haben, haben das Potenzial, ein zuverlässiges Werkzeug für die Untersuchung von Theorien zur Dunklen Materie zu werden.“
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