Untersuchung des Einflusses ultraleichter dunkler Materie auf Gravitationswellensignale

A aktuelle Studie In Briefe zur körperlichen Untersuchung erforscht die Auswirkungen ultraleichter dunkler Materie in EMRIs (Extreme-Mass-Ratio-Inspirals), die von zukünftigen weltraumgestützten Gravitationswellendetektoren wie LISA (Laser Interferometer Space Antenna) nachgewiesen werden könnten.

Angesichts der zahlreichen vorgeschlagenen Formen der Dunklen Materie untersuchen Wissenschaftler mehrere Ansätze zu ihrer Entdeckung.

Diese Studie konzentriert sich auf das Verständnis, wie sich ultraleichte Dunkle Materie in Bezug auf Inspirale mit extremem Massenverhältnis (EMRIs) verhält. Diese Systeme bestehen aus einem supermassereichen Schwarzen Loch (SMBH) in Verbindung mit einem kleineren astronomischen Körper, bei dem es sich um einen Stern oder ein anderes Schwarzes Loch handeln kann.

Die von diesen Systemen emittierten Gravitationswellen, wenn das kleinere Sternobjekt spiralförmig in das SMBH eindringt, könnten auf das Verhalten ultraleichter Dunkler Materie in und um diese Systeme hinweisen.

Phys.org hat mit den Autoren der Studie gesprochen, um ein besseres Verständnis ihrer Arbeit zu gewinnen.

Über die Motivation des Teams hinter der Studie sagte Dr. Francisco Duque, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Erstautor der Studie: „Das Verständnis der grundlegenden Natur der Dunklen Materie ist eines der größten ungelösten Probleme in.“ moderne Physik.

„Wir wissen, dass es existieren muss, damit Galaxien entstehen und sich zu ihrem aktuellen Zustand entwickeln können. Aber dunkel ist nur eine schicke Art auszudrücken, dass wir keine Ahnung haben, was das ist, außer dass es schwach mit anderen Teilchen im Standardmodell interagiert.“

Ultraleichte dunkle Materie

Ultraleichte Dunkle Materie besteht aus Teilchen der Dunklen Materie kleiner Masse, die als Skalarbosonen modelliert werden und keinen intrinsischen Spin haben. Dadurch entsteht ein Skalarfeld, das gleichmäßig im Raum verteilt ist, ähnlich wie die Temperatur in einem Raum gleichmäßig verteilt ist.

Diese Art von Dunkler Materie kommt in verschiedenen Formen vor, als unscharfe dunkle Materie und Bosonenwolken. Diese Teilchen können bis zu 1028-mal leichter sein als ein Elektron.

Flauschige Dunkle Materie verklumpt nicht auf die gleiche Weise wie herkömmliche Teilchen der Dunklen Materie. Aufgrund der geringen Masse der Partikel zeigt es vielmehr im großen Maßstab ein deutlich wellenartiges Verhalten. Auf kleinen Skalen kann unscharfe Dunkle Materie das Verhalten galaktischer Strukturen beeinflussen.

Andererseits findet man Bosonenwolken um rotierende Schwarze Löcher. Die Bosonenwolke nutzt die Energie des Schwarzen Lochs und vergrößert sich, wodurch die Energie gestreut wird, anstatt vom Schwarzen Loch absorbiert zu werden. Dieser Vorgang wird als Superradianz bezeichnet.

Wenn eine dieser theoretischen Formen ultraleichter dunkler Materie in EMRIs existiert, könnte sie die von diesen Systemen emittierten Gravitationswellen verändern.

Ein relativistischer Ansatz

Obwohl frühere Studien die Umweltauswirkungen auf EMRIs untersucht haben, haben sie sich ausschließlich auf Newtonsche Näherungen verlassen. In Umgebungen mit extremer Schwerkraft oder bei hohen Geschwindigkeiten (nahe der Lichtgeschwindigkeit) können relativistische Effekte jedoch nicht ignoriert werden.

Das Forschungsteam beschloss daher, einen vollständig relativistischen Rahmen zu integrieren, um die Umgebung rund um EMRIs zu untersuchen. Ihr Ziel war es, mit diesem Rahmen den Energieverlust in EMRIs aufgrund der Gravitationswellen der Spirale und der Erschöpfung des Skalarfelds bei der Wechselwirkung mit dem Binärsystem zu untersuchen.

Dr. Rodrigo Vicente, Postdoktorand am Institut für Hochenergiephysik in Barcelona und Mitautor der Studie, erläuterte ihre Ergebnisse: „Während kleinere Schwarze Löcher das SMBH umkreisen, bewegen sie sich durch die Dunkle Materie und erzeugen eine dichte Spur.“ Kielwasser, ähnlich dem Kielwasser eines Schwimmers in einem Becken. Dieses Kielwasser übt eine zusätzliche Anziehungskraft auf das kleine Schwarze Loch aus, die als dynamische Reibung bezeichnet wird, es verlangsamt und die Gravitationswellensignale verändert.

Die Dichte der Wolken aus ultraleichter dunkler Materie rund um das SMBH kann das 20-fache der Dichte von Gold erreichen, was den erheblichen Einfluss ultraleichter dunkler Materie auf die Entwicklung von EMRIs und anderen ähnlichen Systemen unterstreicht.

LISA und zukünftige Entdeckungen

Die Verschiebung der Gravitationswellensignale durch ultraleichte Dunkle Materie könnte auf der Erde von zukünftigen Detektoren wie LISA nachgewiesen werden.

Dr. Caio Macedo, Professor an der Universidade Federal do Pará und Mitautor der Studie, erklärte: „LISA, das voraussichtlich 2035 von der Europäischen Weltraumorganisation gestartet wird, wird empfindlich auf Millihertz-Frequenzen reagieren und so Beobachtungen ermöglichen.“ EMRIs mit hoher Präzision können diese Systeme über Wochen, Monate oder sogar Jahre hinweg verfolgen und sind dann perfekt geeignet, die durch dynamische Reibung verursachte Phasenverschiebung zu beobachten, die sich über viele Zyklen ansammelt.“

Wenn solche Effekte jedoch nicht beobachtet werden, können die Daten von LISA verwendet werden, um die Existenz ultraleichter Felder über einen weiten Massenbereich hinweg streng einzuschränken.

Jenseits der Dunklen Materie

Neben dem dynamischen Reibungseffekt konnten die Forscher auch untersuchen, wie sich unscharfe Dunkle Materie und Bosonenwolken unterschiedlich verhalten.

Die Forscher fanden heraus, dass im Fall der unscharfen Dunklen Materie um SMBHs herum der Energieverlust aufgrund der Erschöpfung des Skalarfeldes den Energieverlust durch die Emission von Gravitationswellen übersteigen kann, insbesondere wenn das kleinere Objekt weit vom SMBH entfernt ist.

Durch die Einbeziehung eines relativistischen Rahmens wurde auch das Resonanzverhalten der Gravitationswellen aufgedeckt, ein relativistischer Effekt, der in Newtonschen Modellen fehlt.

Bei Bosonenwolken fanden sie heraus, dass die Energiedissipation durch skalare Verarmung sehr empfindlich von den Eigenschaften der umgebenden Umgebung abhängt.

Mit einem genaueren Modell darüber, wie sich verschiedene Materietypen auf Gravitationswellen auswirken, hat diese Studie das Potenzial, unser Verständnis der Schwerkraft erheblich zu verbessern und einen wichtigen Weg für die Erforschung dunkler Materie aufzuzeigen.

Im Hinblick auf zukünftige Arbeiten erwähnen die Forscher die Erweiterung ihres Rahmenwerks, um exzentrische Umlaufbahnen zu berücksichtigen, die bei EMRIs eher zu beobachten sind.

Sie planen auch, ihr relativistisches Rahmenwerk für Scheiben aktiver galaktischer Kerne (AGN) anzupassen, von denen man annimmt, dass sie erhebliche Mengen dunkler Materie beherbergen. Da dunkle Materie für die Bildung großräumiger Strukturen von entscheidender Bedeutung ist, könnte diese Forschung zu mehr Klarheit über ihre Rolle im Universum führen.

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