Ein seltsames Signal in der Raumzeit: Könnte dies der erste Fingerabdruck der Dunklen Materie sein?
Forscher haben eine Methode entwickelt, um Gravitationswellen auf Spuren Dunkler Materie zu untersuchen. Bei einem von 28 LIGO-Signalen fanden sie eine auffällige Abweichung - ein möglicher erster Hinweis auf das unsichtbare Universum.
Was wäre, wenn ausgerechnet die flüchtigsten Botschaften des Kosmos - Gravitationswellen - verraten könnten, woraus der größte Teil der Materie besteht? Seit Jahrzehnten suchen Physiker fieberhaft nach der Dunklen Materie, jener unsichtbaren Substanz, die Galaxien zusammenhält und mehr als 85 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht. Direkt gesehen hat sie noch niemand. Doch nun hat ein internationales Team eine Methode entwickelt, mit der sich die Signatur der Dunklen Materie vielleicht doch erhaschen lässt - versteckt in den Raumzeit-Kräuselungen kollidierender Schwarzer Löcher. Bei der Analyse von 28 Gravitationswellen-Ereignissen stach ein einziges Signal heraus, als trüge es einen leisen Fingerabdruck des Unsichtbaren.
Warum Dunkle Materie so schwer zu fassen ist
Dunkle Materie verrät sich nur durch ihre Schwerkraft. Anders als gewöhnliche Materie wechselwirkt sie nicht mit Licht oder elektromagnetischen Kräften - sie leuchtet nicht, reflektiert nicht und absorbiert nicht. Dass es sie geben muss, schließen Forscher aus der Bewegung von Sternen in Galaxien und aus dem Phänomen des Gravitationslinseneffekts, bei dem das Licht ferner Objekte durch eine unsichtbare Masse gekrümmt wird. Die sichtbare Materie allein kann diese Effekte nicht erklären. Schätzungen zufolge macht Dunkle Materie mehr als 85 Prozent der Materie im Kosmos aus. Woraus sie besteht, ist jedoch völlig offen. Eine viel diskutierte Möglichkeit sind extrem leichte Teilchen, sogenannte leichte Skalarfelder. Theoretisch können sie sich in der Nähe schnell rotierender Schwarzer Löcher wie eine kohärente Welle verhalten - und genau das könnte der Schlüssel zu ihrem Nachweis sein.
Wie Schwarze Löcher die Dunkle Materie verstärken
Die Grundidee ist ebenso elegant wie physikalisch anspruchsvoll. Trifft eine Welle aus leichten Skalarteilchen auf ein rasend schnell rotierendes Schwarzes Loch, kann die Rotationsenergie des Lochs auf die Welle übertragen werden. Dieser als Superradianz bezeichnete Prozess lässt die Dichte der Dunklen Materie in der Umgebung dramatisch ansteigen - ähnlich wie sich Sahne zu Butter schlagen lässt. Wenn zwei Schwarze Löcher, die durch eine solche verdichtete Wolke aus Dunkler Materie fliegen, schließlich miteinander verschmelzen, sollte die dabei abgestrahlte Gravitationswelle subtile Spuren dieser Wechselwirkung tragen. „Schwarze Löcher bieten einen Mechanismus, um diese Dichte zu erhöhen, und wir können nun nach den Effekten suchen, indem wir die Gravitationswellen analysieren, die bei ihrer Verschmelzung ausgesandt werden“, erklärt Josu Aurrekoetxea, Postdoktorand am MIT und einer der Hauptautoren der Studie.
Ein Modell, das den Unterschied zwischen Vakuum und Dunkler Materie berechnet
Um solche Spuren überhaupt erkennen zu können, musste das Team um Aurrekoetxea, Soumen Roy von der Université Catholique de Louvain, Rodrigo Vicente von der University of Amsterdam, Katy Clough von der Queen Mary University of London und Pedro Ferreira von der University of Oxford zunächst verstehen, wie Gravitationswellen aus einer dunklen Umgebung aussehen. Sie erstellten aufwändige Simulationen von Verschmelzungen Schwarzer Löcher unter verschiedensten Bedingungen: unterschiedliche Massen und Größen der Löcher, variierende Mengen und Dichten der umgebenden Dunklen Materie. Aus diesen Simulationen leiteten sie präzise Vorhersagen ab, wie sich die Gravitationswellenformen verändern, wenn die Kollision nicht im leeren Raum, sondern in einem dichten Dunkle-Materie-Bad stattfindet. Das Modell berücksichtigte auch, wie sich die Wellen auf ihrer millionen Lichtjahre langen Reise zur Erde verformen. Damit stand erstmals ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich reale Messdaten systematisch auf solche Umwelteffekte abklopfen lassen.
Die Suche in den Archiven von LIGO, Virgo und KAGRA
Die Forscher wendeten ihr Modell auf die öffentlich zugänglichen Daten der ersten drei Beobachtungsläufe des internationalen Gravitationswellen-Observatoriums LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) an. Sie konzentrierten sich auf die 28 eindeutigsten bis dahin registrierten Signale von Verschmelzungen Schwarzer Löcher. Für 27 dieser Ereignisse passten die beobachteten Wellenformen perfekt zu dem, was man von einer Kollision im Vakuum erwartet. Doch ein Signal fiel aus der Reihe: GW190728, erstmals aufgezeichnet am 28. Juli 2019. Frühere Analysen hatten ergeben, dass dieses Signal von zwei Schwarzen Löchern mit einer kombinierten Masse von etwa 20 Sonnenmassen stammt. Die neue Untersuchung legt nun nahe, dass diese beiden Löcher womöglich in einer dichten Wolke aus Dunkler Materie verschmolzen sind. Die Abweichung ist subtil, aber sie passt auffällig gut zu den Simulationen einer Verschmelzung in einer Umgebung mit leichten Skalarfeldern.
Ein Hinweis, noch keine Entdeckung
Die Forscher betonen, dass dies keine bestätigte Entdeckung von Dunkler Materie ist. „Die statistische Signifikanz ist nicht hoch genug, um eine Entdeckung zu beanspruchen, und weitere Überprüfungen durch unabhängige Gruppen sollten durchgeführt werden“, sagt Aurrekoetxea. Was die Studie jedoch eindrucksvoll zeigt, ist die prinzipielle Machbarkeit: Ohne solche Wellenform-Modelle könnten wir Verschmelzungen in einer Dunkle-Materie-Umgebung systematisch als Vakuum-Ereignisse fehlinterpretieren. Co-Autor Soumen Roy, der die Datenanalyse leitete, ergänzt: „Wir haben jetzt das Potenzial, Dunkle Materie um Schwarze Löcher herum zu entdecken, während die LVK-Detektoren in den kommenden Jahren weiter Daten sammeln.“ Rodrigo Vicente, der das analytische Modell des Signals entwickelte, fügt hinzu: „Es wäre fantastisch, Schwarze Löcher zu nutzen, um nach Dunkler Materie zu suchen. Wir könnten Dunkle Materie auf viel kleineren Skalen untersuchen als jemals zuvor.“
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Die laufenden und künftigen Beobachtungskampagnen von LIGO, Virgo und KAGRA werden die Zahl der registrierten Gravitationswellen-Ereignisse rasant erhöhen. Mit jedem neuen Signal wächst die Chance, weitere Kandidaten wie GW190728 zu finden - oder die Hypothese zu widerlegen. Gleichzeitig arbeiten Theoretiker daran, die Modelle zu verfeinern und auch andere Formen von Dunkler Materie einzubeziehen. Sollte sich der Verdacht erhärten, wäre das ein Durchbruch, der die Gravitationswellen-Astronomie endgültig zu einem Fenster in die dunkle Seite des Kosmos machen würde. Bis dahin bleibt GW190728 eine verlockende Anomalie - ein leises Flüstern, das vielleicht mehr verrät, als wir heute zu deuten wagen.
Die Studie erschien in Physical Review Letters und wurde unter anderem vom MIT und der National Science Foundation gefördert. Weitere Details finden sich in der Zusammenfassung auf ScienceDaily.
Quellen:
- A strange ripple in spacetime could be the first fingerprint of dark matter (ScienceDaily - All)
- ‚Star Wars: Maul - Shadow Lord‘ confirmed what we already knew - the former Sith has daddy issues (Space.com)
- SpaceX launches 24 Starlink satellites on Falcon 9 launch from California (Space.com)
- Scientists use DNA from poop to save the world’s rarest marsupial (ScienceDaily - All)
- NASA’s Psyche Mission Sees Mars’ South Pole After Flyby (NASA - Breaking News)
- Scientists just solved a tricky asteroid-hopping spacecraft riddle (Space.com)
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