Rätselhafte Bosonenwolken könnten neue Hinweise auf Dunkle Materie geben

Illustration eines Schwarzen Lochs. (Credits: NASA)
Illustration eines Schwarzen Lochs. (Credits: NASA)

Die Suche nach Gravitationswellen – Störungen der Raumzeit aufgrund gewaltiger kosmischer Katastrophen – könnte bei der Lösung eines anderen Rätsels des Universums helfen: Bosonenwolken und ob sie ein aussichtsreicher Kandidat für Dunkle Materie sind.

Forscher nutzen leistungsfähige Instrumente wie das Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), das Advanced Virgo und KAGRA, die Gravitationswellen in Milliarden Lichtjahren Entfernung registrieren, um mögliche Bosonenwolken zu lokalisieren.

Bosonenwolken bestehen aus ultraleichten, subatomaren Teilchen, die fast unmöglich zu registrieren sind, und wurden als eine mögliche Quelle der Dunklen Materie vorgeschlagen, die etwa 85 Prozent der Materie im Universum ausmacht.

Jetzt bietet eine neue, umfassende, internationale Studie, die von der LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration durchgeführt wurde, eine der besten Möglichkeiten, um diese subatomaren Teilchen zu suchen, indem nach Gravitationswellen gesucht wird, die von Bosonenwolken im Orbit um Schwarze Löcher verursacht wurden.

Dr. Lilli Sun vom ANU Centre for Gravitational Astrophysics sagte, die Studie sei die erste Durchmusterung des gesamten Himmels, die maßgeschneidert für die Suche nach vorhergesagten Gravitationswellen von möglichen Bosonenwolken nahe rasch rotierenden Schwarzen Löchern ist.

„Es ist fast unmöglich, diese ultraleichten Bosonen auf der Erde zu registrieren“, sagte Dr. Sun. „Die Teilchen, sofern sie existieren, besitzen eine extrem kleine Masse und interagieren selten mit anderer Materie – was eine der Schlüsseleigenschaften ist, die Dunkle Materie zu haben scheint. Dunkle Materie ist Materie, die nicht direkt beobachtet werden kann, aber wir wissen von ihrer Existenz aufgrund der Auswirkungen, die sie auf beobachtbare Objekte hat.“

„Aber durch die Suche nach Gravitationswellen, die von diesen Wolken emittiert wurden, könnten wir in der Lage sein, diese schwer nachweisbaren Bosonen zu finden und vielleicht den Code der Dunklen Materie knacken. Unsere Suchen könnten uns auch erlauben, bestimmte ultraleichte Bosonen auszuschließen, die laut unseren Theorien existieren könnten, aber in Wirklichkeit nicht existieren“, sagte Dr. Sun.

Sun, die auch am ARC Centre for Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) tätig ist, sagte, die Gravitationswellendetektoren erlaubten den Forschern die Untersuchung der Energie, die solche Wolken (sofern sie existieren) von rasch rotierenden Schwarzen Löchern extrahieren.

„Wir vermuten, dass diese Schwarzen Löcher eine große Anzahl an Bosonen in ihrem starken Gravitationsfeld fangen und dass die Bosonen eine Wolke bilden, die mit dem Schwarzen Loch rotiert. Dieser fragile Tanz dauert Millionen Jahre an und erzeugt Gravitationswellen, die den Weltraum durchqueren“, sagte sie.

Obwohl die Forscher noch keine Gravitationswellen von Bosonenwolken registriert haben, „habe die Gravitationswellenforschung die Türen geöffnet, die zuvor noch verschlossen waren“, sagte Sun. „Gravitationswellenentdeckungen geben nicht nur Informationen über rätselhafte, kompakte Objekte im Universum wie etwa Schwarze Löcher und Neutronensterne, sie erlauben uns auch nach neuen Teilchen und Dunkler Materie zu suchen“, sagte sie.

„Zukünftige Gravitationswellendetektoren werden sicherlich mehr Möglichkeiten eröffnen. Wir werden imstande sein, tiefer in das Universum zu schauen und mehr Erkenntnisse über diese Teilchen zu gewinnen. Beispielsweise würde die Entdeckung von Bosonenwolken mittels Gravitationswellendetektoren wichtige Einblicke in die Dunkle Materie geben und helfen, andere Suchprojekte nach Dunkler Materie zu verbessern. Es würde auch unser Verständnis der Teilchenphysik erweitern“, sagte Sun.

In einem anderen entscheidenden Durchbruch warf die Studie auch mehr Licht auf die Wahrscheinlichkeit, dass Bosonenwolken in unserer eigenen Milchstraßen-Galaxie existieren, indem das Alter der potenziellen Wolken in Betracht gezogen wurde. Die Stärke jedes Gravitationsfeldes hängt vom Alter der Wolke ab, wobei die älteren schwächere Signale aussenden.

„Die Bosonenwolken schrumpfen, wenn sie Energie durch das Aussenden von Gravitationswellen verlieren“, sagte Sun. Wir fanden heraus, dass ein bestimmter Bosonenwolkentyp, der jünger als 1.000 Jahre ist, in unserer Galaxie wahrscheinlich nicht existiert, und dass Wolken, die bis zu zehn Millionen Jahre alt sind, im Umkreis von 3.260 Lichtjahren um die Erde wahrscheinlich nicht existieren“, sagte Sun.

Quelle

(THK)

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