Künftige Beobachtungen schwarzer Löcher durch LISA könnten die Existenz unbekannter Teilchen enthüllen, die viel leichter sind als die in Teilchenbeschleunigern nachgewiesenen.
Die Idee beruht auf einem erstaunlichen Effekt um rotierende schwarze Löcher. Bestimmte hypothetische Teilchen, sogenannte ultraleichte Bosonen, könnten sich um sie ansammeln. Diese Konzentration würde ihnen allmählich einen Teil ihrer Rotation entziehen. Sie könnte außerdem Gravitationswellen erzeugen, also winzige Verformungen von Raum und Zeit.
Künstlerische Darstellung zweier verschmelzender schwarzer Löcher, einer Quelle von Gravitationswellen, die LISA untersuchen können wird.
Quelle: ESA
Diese Teilchen wurden bisher noch nie nachgewiesen. Ihre Masse wäre extrem gering und läge weit unter der gewöhnlicher Teilchen. Eine direkte Suche nach ihnen ist daher schwierig. Schwarze Löcher können eine andere Methode bieten: Ihre Masse und Rotationsgeschwindigkeit würden die Spur der verlorenen Energie bewahren, falls diese Teilchen existieren.
Hier kommt LISA ins Spiel, ein künftiges Weltraumobservatorium, das von der Europäischen Weltraumorganisation gemeinsam mit der NASA entwickelt wird. Drei Millionen Kilometer voneinander entfernte Raumfahrzeuge werden winzige Entfernungsänderungen messen. Das Instrument wird insbesondere für Gravitationswellen empfindlich sein, die bei der Verschmelzung schwarzer Löcher entstehen, die deutlich massereicher als die Sonne sind.
Die Forschenden haben zwei sich ergänzende Methoden untersucht. Die erste besteht darin, die Rotation schwarzer Löcher vor ihrer Verschmelzung zu messen. Bestimmte Kombinationen aus Masse und Rotation würden selten, wenn ultraleichte Bosonen ihnen wirksam Energie entziehen würden.
Schematische Darstellung eines rotierenden schwarzen Lochs, das von einer Wolke ultraleichter Bosonen umgeben ist.
Quelle: Richard Brito, Vitor Cardoso und Paolo Pani / LIGO Scientific Collaboration
Die zweite Methode kommt nach der Verschmelzung zum Einsatz. Das neu entstandene schwarze Loch könnte sich mit einer Bosonenwolke umgeben und anschließend ein nahezu kontinuierliches Gravitationswellensignal aussenden. LISA könnte nach diesem Signal suchen, nachdem die Verschmelzung bereits lokalisiert wurde, wodurch der zu untersuchende Himmelsbereich kleiner wäre.
Die Simulationen zeigen, dass Rotationsmessungen mehrere Massenbereiche von Bosonen testen könnten. Für skalare Teilchen erstreckt sich der untersuchte Bereich von etwa 5 × 10-18 bis 10-14 Elektronenvolt. Für Vektorbosonen reicht er von etwa 6 × 10-19 bis 2 × 10-14 Elektronenvolt.
Diese Zahlen hängen weiterhin stark von der tatsächlichen Population massereicher schwarzer Löcher ab. Daher haben die Forschenden drei Szenarien verglichen, die ihre Entstehung beschreiben. Je nach gewähltem Szenario kann die Wahrscheinlichkeit, nach einer Verschmelzung ein Signal zu entdecken, für bestimmte Massen von Vektorbosonen von sehr gering bis nahezu sicher reichen.
LISA ist noch nicht in Betrieb, und die Studie enthält Vorhersagen aus Simulationen. Künftige Daten werden es ermöglichen, diese Szenarien mit echten Verschmelzungen zu vergleichen. Die gleichzeitige Messung von Masse, Rotation und nach der Kollision anhaltenden Signalen wird dann mehrere unabhängige Tests desselben hypothetischen Teilchens ermöglichen.