Dunkle Materie ist eine Grundannahme im aktuellen Verständnis des Universums. Dennoch ist die elementare Identität der Dunklen Materie nicht bekannt und ihre zukünftige Entdeckung bleibt ein vorrangiges Ziel in den Bereichen Kosmologie und Teilchenphysik.
Ein Team theoretischer Physiker des Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, des Indian Institute for Science in Bengaluru und der University of California in Berkeley hat eine neue Methode zur Untersuchung dunkler Materie vorgeschlagen. Die Methode nutzt die Suche nach Gravitationswellen, um nach Dunkler Materie anhand ihrer vorhergesagten Auswirkungen auf Neutronensterne zu suchen.
Sulagna Bhattacharya, Doktorandin am TIFR und Hauptautorin der in veröffentlichten Studie Briefe zur körperlichen Untersuchung, erklärt – Teilchen der Dunklen Materie in der Galaxie können sich aufgrund ihrer nichtgravitativen Wechselwirkungen in Neutronensternen ansammeln. Die angesammelten Teilchen bilden einen dichten Kern, der zu einem winzigen Schwarzen Loch zusammenfällt, wenn das Teilchen der Dunklen Materie schwer ist und kein Antiteilchen-Gegenstück hat; Ein Szenario, das sich in Laborexperimenten als schwierig erwies, anders zu testen.
Für einen großen zulässigen Bereich der Teilchenmasse der Dunklen Materie verzehrt das anfängliche Schwarze Loch seinen Wirtsneutronenstern und wandelt ihn in ein Schwarzes Loch mit der Masse eines Neutronensterns um. Entscheidend ist, dass Theorien der Sternentwicklung voraussagen, dass Schwarze Löcher entstehen, wenn Neutronensterne etwa das 2,5-fache der Sonnenmasse überschreiten, wie in der Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze festgelegt, aber hier führt dunkle Materie zu Schwarzen Löchern mit geringer Masse, die normalerweise kleiner sind als der maximale Neutronenstern.
Anupam Ray, Mitleiter der Arbeit, weist darauf hin, dass „sich alte binäre Neutronensternsysteme in dichten Regionen der Galaxie aufgrund von Parametern der Dunklen Materie, die noch durch kein anderes Experiment ausgeschlossen werden können, zu binären Schwarzen-Loch-Systemen entwickelt haben müssten.“ Wenn wir keine ungewöhnlich massearmen Verschmelzungen sehen, werden der Dunklen Materie neue Beschränkungen auferlegt.“
Interessanterweise scheinen einige der von LIGO entdeckten Ereignisse, z. B. GW190814 und GW190425, mindestens ein kompaktes Objekt mit geringer Masse zu betreffen. Ein verlockender Vorschlag, der auf bahnbrechenden Arbeiten von Hawking und Zeldovich aus den 1960er Jahren basiert, ist, dass massearme Schwarze Löcher einen ursprünglichen Ursprung haben könnten, also durch äußerst seltene, aber große Dichteschwankungen im sehr frühen Universum entstanden sein könnten.
Motiviert durch diese Überlegungen hat die LIGO-Kollaboration gezielt nach Schwarzen Löchern geringer Masse gesucht und Grenzen gesetzt. Die vorliegende Studie von Bhattacharya und Mitarbeitern zeigt, dass die Nichterkennung von Verschmelzungen geringer Masse durch LIGO auch strenge Einschränkungen für die Dunkle Materie der Teilchen mit sich bringt.
Die in dieser Studie vorgestellten Einschränkungen sind von erheblichem Wert, da sie einen Parameterraum untersuchen, der weit außerhalb der Reichweite der aktuellen terrestrischen Detektoren für dunkle Materie wie XENON1T, PANDA und LUX-ZEPLIN liegt, insbesondere für schwere Teilchen der dunklen Materie.
Es wird erwartet, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern mit geringer Masse nicht nur mit bestehenden Gravitationswellendetektoren wie LIGO, VIRGO und KAGRA, sondern auch mit künftigen Detektoren wie Advanced LIGO, Cosmic Explorer und dem Einstein-Teleskop nachweisbar sind. Unter Berücksichtigung der geplanten Upgrades aktueller Gravitationswellenexperimente und der Berücksichtigung ihrer erhöhten Empfindlichkeit und Beobachtungszeit prognostiziert die Studie die Einschränkungen, die innerhalb des nächsten Jahrzehnts erreicht werden könnten.
Die Studie zeigt insbesondere, dass Gravitationswellenbeobachtungen extrem schwache Wechselwirkungen schwerer dunkler Materie untersuchen können, weit unterhalb des sogenannten „Neutrino-Bodens“, wo herkömmliche Detektoren für dunkle Materie mit dem astrophysikalischen Neutrino-Hintergrund zu kämpfen haben. Wenn stattdessen in Zukunft exotische Schwarze Löcher mit geringer Masse entdeckt werden, könnte dies ein wertvoller Hinweis auf die Natur der Dunklen Materie sein.
Die Autoren schließen sich optimistisch an und stellen fest: „Gravitationswellendetektoren, die sich bereits für die direkte Erkennung von Schwarzen Löchern und von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen als nützlich erwiesen haben, könnten sich auch als leistungsstarkes Werkzeug zur Überprüfung von Theorien über Dunkle Materie erweisen.“
Mehr Informationen:
Sulagna Bhattacharya et al.: Kann LIGO nicht vernichtende Dunkle Materie erkennen?, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.091401