⚛️ Dunkle Materie in Gravitationswellen?
Gravitationswellen, von Einstein vorhergesagt, sind Wellen in der Raumzeit. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und entstehen bei den gewalttätigsten Ereignissen im Universum, etwa wenn zwei schwarze Löcher verschmelzen. Indem sie umeinander kreisen und dann kollidieren, setzen diese massiven Himmelskörper eine gewaltige Energie frei, die das kosmische Gewebe verformt.
Wenn zwei schwarze Löcher kollidieren und verschmelzen, setzen sie Gravitationswellen frei. Diese Wellen werden von den Observatorien LIGO-Virgo-KAGRA auf der Erde detektiert, sodass Wissenschaftler die Masse und Rotation der schwarzen Löcher bestimmen können.
Bildnachweis: Maggie Chiang für Simons Foundation
Um diese winzigen Vibrationen einzufangen, messen die Interferometer LIGO und Virgo Abstandsänderungen mit einer unglaublichen Präzision – in der Größenordnung eines Milliardstel der Breite eines Atoms. Jede Verschmelzung schwarzer Löcher erzeugt ein charakteristisches Signal in Form eines Zirpens (Chirp), dessen Form von den Massen, der Rotation und der Umgebung der Himmelskörper abhängt.
Die Wissenschaftler analysieren dieses Signal, um die Eigenschaften der verschmelzenden Objekte abzuleiten. Wenn die Umgebung nicht leer ist, sondern dunkle Materie enthält, trägt die Welle einen entsprechenden Fingerabdruck. Aktuelle Modelle ermöglichen es, die beiden Fälle zu unterscheiden, und bieten ein Instrument, um dunkle Materie aus der Ferne zu untersuchen.
Da sie unsichtbar ist, weder Licht aussendet noch absorbiert, kann dunkle Materie nur durch ihre Gravitationsanziehung auf Sichtbares beobachtet werden – etwa bei der Rotation von Galaxien oder der Verformung von Licht.
Einer Theorie zufolge könnte dunkle Materie aus ultraleichten Teilchen bestehen. In der Nähe eines rotierenden schwarzen Lochs verhalten sich diese Teilchen wie Wellen. Das schwarze Loch kann ihnen über einen Mechanismus namens Superradianz einen Teil seiner Rotationsenergie übertragen, was die Dichte der umgebenden dunklen Materie stark erhöht.
Wenn diese Dichte einen kritischen Schwellenwert erreicht, hinterlässt sie eine Signatur in den bei einer Verschmelzung ausgesendeten Gravitationswellen. Die Forscher haben diesen Effekt modelliert und durchsuchen die Daten der Observatorien, um ihn zu entdecken. Die Superradianz stellt somit einen natürlichen Mechanismus dar, um dunkle Materie um schwarze Löcher herum zu konzentrieren und ihre Untersuchung zu ermöglichen.