Forscher diskutiert, wie Gravitationswellen auf dunkle Materie und die Geheimnisse des Urknalls hinweisen

Gravitationswellen, Kräuselungen in der Raumzeit, die Einstein vor fast einem Jahrhundert vorhersagte, wurden 2015 zum ersten Mal nachgewiesen. Eine neue Studie unter der Leitung von Yanou Cui, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der University of California in Riverside, berichtet, dass sehr einfache Formen von Materie kurz nach dem Urknall nachweisbare Gravitationswellenhintergründe erzeugen könnten.

„Dieser Mechanismus der Erzeugung nachweisbarer Gravitationswellenhintergründe könnte Licht auf das rätselhafte Gravitationswellensignal werfen, das kürzlich von Pulsar-Zeitmessobservatorien erfasst wurde“, sagte Cui. „Eine weitere spannende Folgerung ist, dass dieselbe Form von Materie als dunkle Materie identifiziert werden könnte, die mysteriöse Substanz, von der man annimmt, dass sie den größten Teil der Masse des Universums ausmacht und die Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor Rätsel stellt.“

Die Studie, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfungebnet den Weg für die Entdeckung neuer fundamentaler physikalischer Erkenntnisse im größten Labor: dem Universum selbst. In der folgenden Frage-und-Antwort-Runde beantwortet Cui einige Fragen zur Forschung.

Was sind diese sehr einfachen Formen von Materie?

Die einfache Form der Materie ist eine Art ultraleichte Skalarfeldmaterie. Skalar bedeutet, dass die Materie keine interne Rotation (Spin) hat und dem Higgs-Boson ähnelt. Diese Materieformen sind sehr leicht, jede hat eine Masse von einem Millionstel oder sogar einem Milliardstel der Masse eines Elektrons. Aufgrund ihrer sehr geringen Masse verhalten sie sich eher wie Wellen als wie Teilchen und durchdringen das Universum.

Die Gravitationswellen (GW) müssen eine ausreichend hohe Intensität aufweisen, analog zu elektromagnetischen Wellen, damit aktuelle Experimente empfindlich genug sind, um sie zu erfassen. Außerdem müssen sie in den Frequenzbändern liegen, für die diese Experimente empfindlich sind; bisher können aufgrund technologischer Einschränkungen nur bestimmte Bereiche der GW-Frequenz erfasst werden.

Diese einfachen Materieformen erzeugen kurz nach dem Urknall und zu keiner anderen Zeit eine nachweisbare Hintergrundstrahlung aus Gravitationswellen?

Ja, die GW werden in einer Zeit erzeugt, in der die Expansionsrate des Universums etwa der Masse des Skalarfelds entspricht. Jenseits dieses Punktes würde sie aufhören, da die Partikelproduktion irgendwann durch den internen Mechanismus gestoppt würde. Wenn ich kurz nach dem Urknall sage, dann ist das immer noch einen Sekundenbruchteil danach. Lange nach dem Urknall könnte es GW-Produktion aus astrophysikalischen Quellen wie Verschmelzungen schwarzer Löcher geben, die das Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory beobachtet hat.

Warum waren diese einfachen Formen der Materie bislang nicht bekannt?

Sie interagieren mit bekannter Materie nur durch superschwache Gravitationswechselwirkung. Das von uns demonstrierte GW-Signal ist die Möglichkeit, sie zu erkennen. Aber wenn es sich um dunkle Materie handelt, wissen wir von ihnen aufgrund der allgemeinen Beweise für dunkle Materie. Da sie nur durch Gravitation mit sichtbarer Materie interagieren, die sehr schwach ist, wussten wir bisher nicht viel über sie.

Sie sagen, es wäre spannend, diese einfache Form von Materie als dunkle Materie zu identifizieren. Liegt das daran, dass wir dann endlich wissen, woraus dunkle Materie besteht?

Ja, das ist einer der Höhepunkte. Aber es ist auch höchst kompliziert, nachweisbare GWs zu erzeugen, und wir haben herausgefunden, dass eine einfache Form von Materie, möglicherweise dunkle Materie, solche GWs erzeugen kann – eine bedeutende theoretische Leistung. Wie bereits erwähnt, lässt sich auch die rätselhafte Entdeckung des Pulsar-Zeitpunkts im letzten Jahr durch diesen Mechanismus erklären.