Gravitationswellen könnten die Natur der Dunklen Materie enthüllen

Beobachtungen von Gravitationswellen verschmelzender Schwarzer Löcher könnten neue Erkenntnisse über Dunkle Materie liefern, schlägt eine neue Studie eines vom UCL geleiteten internationalen Teams vor.

Die Studie wurde auf dem National Astronomy Meeting 2023 in Cardiff vorgestellt und jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Untersuchung Dnutzten Computersimulationen, um die Erzeugung von Gravitationswellensignalen in simulierten Universen mit verschiedenen Arten dunkler Materie zu untersuchen.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Zählung der von der nächsten Generation von Observatorien entdeckten Verschmelzungsereignisse von Schwarzen Löchern Aufschluss darüber geben könnte, ob Dunkle Materie mit anderen Teilchen interagiert oder nicht, und so helfen könnte, herauszufinden, woraus sie besteht.

Kosmologen betrachten dunkle Materie im Allgemeinen als eines der größten fehlenden Teile in unserem Verständnis des Kosmos. Trotz starker Beweise dafür, dass Dunkle Materie 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht, besteht derzeit kein Konsens über ihre zugrunde liegende Natur. Dazu gehören Fragen wie die Frage, ob Teilchen der Dunklen Materie mit anderen Teilchen wie Atomen oder Neutrinos kollidieren können oder ob sie diese unbeeinträchtigt passieren.

Eine Möglichkeit, dies zu testen, besteht darin, zu untersuchen, wie sich Galaxien in dichten Wolken dunkler Materie, sogenannten Halos, bilden. Wenn dunkle Materie mit Neutrinos kollidiert, wird die Struktur der dunklen Materie zerstreut, was zur Folge hat, dass weniger Galaxien entstehen.

Das Problem bei dieser Methode besteht darin, dass alle Galaxien, die verloren gehen, sehr klein und sehr weit von uns entfernt sind, sodass es selbst mit den besten verfügbaren Teleskopen schwer zu erkennen ist, ob sie dort sind oder nicht.

Anstatt die fehlenden Galaxien direkt ins Visier zu nehmen, schlagen die Autoren dieser Studie vor, Gravitationswellen als indirektes Maß für ihre Häufigkeit zu verwenden. Ihre Simulationen zeigen, dass es in Modellen, in denen dunkle Materie mit anderen Teilchen kollidiert, deutlich weniger Verschmelzungen von Schwarzen Löchern im fernen Universum gibt.

Während dieser Effekt zu gering ist, um von aktuellen Gravitationswellenexperimenten beobachtet zu werden, wird er ein Hauptziel für die nächste Generation von Observatorien sein, die derzeit geplant werden.

Die Autoren hoffen, dass ihre Methoden dazu beitragen werden, neue Ideen für die Nutzung von Gravitationswellendaten zur Erforschung der großräumigen Struktur des Universums anzuregen und ein neues Licht auf die mysteriöse Natur der Dunklen Materie zu werfen.

Dr. Alex Jenkins (UCL Physics & Astronomy), einer der Hauptautoren der Studie, sagte: „Gravitationswellen sind ein leistungsstarkes neues Werkzeug zur Beobachtung des fernen Universums. Die nächste Generation von Observatorien wird Hunderttausende Schwarze Löcher entdecken.“ Jedes Jahr kommt es zu Fusionen, die uns beispiellose Einblicke in die Struktur und Entwicklung des Kosmos ermöglichen.

Co-Autor Dr. Sownak Bose von der Durham University sagte: „Dunkle Materie bleibt eines der bleibenden Rätsel in unserem Verständnis des Universums. Daher ist es besonders wichtig, weiterhin neue Wege zur Erforschung von Modellen der Dunklen Materie zu finden und dabei sowohl bestehende als auch bestehende Modelle zu kombinieren.“ Neue Sonden, um Modellvorhersagen umfassend zu testen. Die Gravitationswellenastronomie bietet einen Weg, nicht nur die Dunkle Materie, sondern die Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Allgemeinen besser zu verstehen.