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Dunkle Materie kommt fast überall im Kosmos vor. Doch woraus sie besteht, ist ein Rätsel. Jetzt haben Astronomen eine neue Idee, wie man den geheimnisvollen Teilchen der Dunklen Materie auf die Schliche kommen könnte: Gravitationswellen verschmelzender Schwarzer Löcher könnten die Signatur dieser Teilchen tragen. Denn sollte Dunkle Materie aus leichteren Teilchen wie Axionen bestehen, müssten sich diese im Umfeld Schwarzer Löcher zu höherer Dichte aufstauen – und dies hinterlässt Spuren im Signal, wie das Team erklärt.
Die unsichtbare, wahrscheinlich nur über die Gravitation wechselwirkende Dunkle Materie macht mehr als 85 Prozent aller Materie im Universum aus. Dennoch wissen wir kaum etwas über sie, nicht einmal, aus welchen Teilchen sie besteht. Lange Zeit favorisierten Astrophysiker dafür massereiche, schwach interagierende Teilchen, sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles).
Doch nachdem verschiedene Detektoren und Experimente keinerlei Hinweise auf solche schweren Dunkle-Materie-Teilchen finden konnten, gelten inzwischen leichte Teilchen wie Axionen als vielversprechendste Kandidaten. Diese zu den Bosonen gehörenden hypothetischen Teilchen sollen um mehrere Größenordnungen leichter sein als ein Elektron, keinen Spin besitzen und kaum mit anderen Teilchen wechselwirken. Einigen Theorien zufolge müssten sich solche leichten Skalarteilchen unter bestimmten Umständen wie koordinierte Wellen verhalten.
Schwarze Löcher können Dunkle Bosonen aufstauen
An diesem Punkt setzt nun die neue Nachweis-Idee von Soumen Roy von der Katholischen Universität Louvain und seinen Kollegen an. “Gravitations-Wechselwirkungen nahe Schwarzen Löchern können die Bildung dichter Skalar-Konfigurationen auslösen“, erklärt das Team. Die enorme Schwerkraft der Schwarzen Löcher müsste demnach bewirken, dass sich Dunkle-Materie-Teilchen in ihrer nahen Umgebung durch verschiedene Mechanismen wie die Superradianz und gegenseitige Wechselwirkungen zu hoher Dichte aufstauen.
„Solche superradianten Wolken könnten bis zu zehn Prozent der Masse des Schwarzen Loches erreichen und Dichten von mehr als einer Milliarde Gramm pro Kubikzentimeter – das sind 30 Größenordnungen mehr als im galaktischen Dunkle-Materie-Hintergrund“, schreiben die Astrophysiker. „Wenn wir diese Effekte detektieren würden, wäre dies ein ganz neuer Erforschungsansatz für grundlegende Physik und Dunkle Materie.“ Dann könnte man überprüfen, ob es die leichten Dunkle-Materie-Teilchen tatsächlich gibt.
Verräterische Signaturen in Gravitationswellen
Der Clou dabei: Es gibt schon jetzt Instrumente, mit denen wir solche Verdichtungen Dunkler Materie an Schwarzen Löchern nachweisen können. Denn sie müssten detektierbare Spuren in den Gravitationswellen kollidierender Schwarzer Löcher hinterlassen – den Erschütterungen der Raumzeit, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher frei werden. „Die vorhergesagten Dichten liegen im detektierbaren Bereich von LIGO, Virgo und KAGRA“, erklären die Astrophysiker.
(Video: GRChombo)
Um herauszufinden, wie dieses Signal verdichteter Dunkler Materie in den Gravitationswellen aussehen würde, führten die Forschenden detaillierte numerische Simulationen durch, in denen sie die Gravitationswellen-Signatur der Dunklen Materie für verschiedene Größen und Massen der kollidierenden Schwarzen Löcher sowie verschiedene Dunkle-Materie-Dichten rekonstruierten. Dann verglichen sie das Resultat mit dem Katalog an Gravitationswellen-Ereignissen, die die Detektoren LIGO in den USA, Virgo in Italien und KAGRA in Japan bisher aufgezeichnet haben. Im Fokus standen dabei 28 besonders klar und hochaufgelöst eingefangene Ereignisse.
Ein Ereignis mit vielversprechenden Merkmalen
Es zeigte sich: Von den 28 besonders detailreich aufgezeichneten Gravitationswellen-Ereignissen zeigten 26 keinerlei Hinweise auf Dunkle Materie. „Die Parameter entsprechen denen eines Vakuums und liefern damit starke Belege für eine Dichte nahe null“, schreibt das Team. Doch zwei Ereignisse stachen heraus. „Die bemerkenswerten Abweichungen sind die Ereignisse GW190814 und GW190728, die einige Hinweise auf eine erhöhte Dichte zeigen“, so Roy und seine Kollegen. Sie überprüften daher genauer, ob diese Ereignisse von einer Dichteanreicherung Dunkler Materie stammen könnten.
Diese Analysen ergaben beim Gravitationswellen-Ereignis GW190814 nur schwache Hinweise auf einen solchen Zusammenhang. Anders war dies jedoch bei dem am 28. Juli 2019 detektierten Ereignis GW190728. Diese Gravitationswellen stammten von der Verschmelzung zweier etwa gleich schwerer Schwarzer Löcher mit einer Gesamtmasse von rund 20 Sonnenmassen. Die Wellenparameter ihres Signals zeigten einige Merkmale, die für die Präsenz von verdichteter Dunkler Materie sprechen, wie die Forschenden berichten.
Erste Hinweise auf sehr leichtes Teilchen
„Die statistische Signifikanz ist aber noch nicht hoch genug, um als Nachweis zu gelten“, betont Co-Autor Josu Aurrekoetxea vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Sollten sich die Ergebnisse aber bestätigen, könnte das Gravitationswellen-Signal dabei helfen, die Masse der lange gesuchten Dunkle-Materie-Teilchen weiter einzugrenzen: „Unsere Interpretation deutet auf die Existenz eines neuen Skalarteilchens mit einer Masse von 10-12 Elektronenvolt hin“, schreibt das Team.
Nach Ansicht der Astrophysiker lohnt es sich demnach in jedem Fall, auch künftig Gravitationswellen-Ereignisse gezielt nach den Signalen der Dunklen Materie zu durchsuchen. „Wir haben nun das Potenzial, Dunkle Materie um Schwarze Löcher aufzuspüren, denn die LVK-Detektoren werden in den kommenden Jahren weitere Daten sammeln“, sagt Roy. Noch mehr Einblicke könnten zudem Gravitationswellen-Detektoren der nächsten Generation wie das Einstein-Teleskop oder der Cosmic Explorer liefern. Denn diese geplanten Observatorien werden Gravitationswellen in noch besserer Qualität und mit höherer Signalstärke einfangen können.
Quelle: Soumen Roy (Université Catholique de Louvain, Louvain-La-Neuve, Belgien) et al., Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/fv9z-zkxx
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