Wissenschaftler machen einen weiteren theoretischen Schritt, um das Geheimnis der Dunklen Materie, der Schwarzen Löcher, aufzudecken

Ein Großteil der Materie im Universum bleibt unbekannt und undefiniert, dennoch gewinnen theoretische Physiker weiterhin Hinweise auf die Eigenschaften von Dunkler Materie und Schwarzen Löchern. Eine Studie eines Wissenschaftlerteams, darunter drei von der Stony Brook University, schlägt eine neuartige Methode vor, um nach neuen Teilchen zu suchen, die derzeit nicht im Standardmodell der Teilchenphysik enthalten sind. Ihre Methode, veröffentlicht in Naturkommunikationkönnte Licht in die Natur der Dunklen Materie bringen.

Zu den drei Autoren von Stony Brook gehören Rouven Essig, Ph.D., Professor am CN Yang Institute for Theoretical Physics (YITP); Rosalba Perna, Ph.D., Professorin am Institut für Physik und Astronomie, und Peizhi Du, Ph.D., Postdoktorand am YITP.

Sterne, die nahe an den supermassereichen Schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien vorbeiziehen, können durch Gezeitenkräfte gestört werden, was zu Eruptionen führt, die bei Himmelsdurchmusterungen als helle vorübergehende Ereignisse beobachtet werden. Die Rate, mit der diese Ereignisse auftreten, hängt von den Spins des Schwarzen Lochs ab, die wiederum von ultraleichten Bosonen (hypothetischen Teilchen mit winzigen Massen) aufgrund von Überstrahlung beeinflusst werden können. Das Forschungsteam führte eine detaillierte Analyse dieser Effekte durch und entdeckte, dass die Suche nach stellaren Gezeitenstörungen das Potenzial hat, die Existenz ultraleichter Bosonen aufzudecken.

Laut Co-Autor Rouven Essig zeigte das Team, dass aufgrund der Abhängigkeit der stellaren Störungsraten vom Spin des Schwarzen Lochs und angesichts der Tatsache, dass ultraleichte Bosonen solche Spins aufgrund der superstrahlenden Instabilität einzigartig beeinflussen, Messungen der stellaren Gezeitenstörungsrate möglich sind verwendet werden, um diese neuen Teilchen zu untersuchen.

Darüber hinaus schlagen die Forscher vor, dass mit dem enormen Datensatz von stellaren Gezeitenstörungen, der vom Vera Rubin Observatory bereitgestellt wird, diese Daten in Kombination mit der Arbeit der Forscher verwendet werden können, um eine Vielzahl ultraleichter Bosonenmodelle auf breiter Ebene zu entdecken oder auszuschließen Regionen des Parameterraums.

Ihre Analyse deutet auch darauf hin, dass Messungen der stellaren Gezeitenstörungsraten verwendet werden können, um eine Vielzahl von Spinverteilungen supermassiver Schwarzer Löcher einzuschränken und zu bestimmen, ob nahezu maximale Spins bevorzugt werden.

„Die potenziellen Auswirkungen unserer Ergebnisse sind tiefgreifend. Die Entdeckung neuer ultraleichter Bosonen bei Untersuchungen von Gezeitenstörungen in Sternen wäre revolutionär für die Grundlagenphysik“, sagt Essig.

„Diese neuen Teilchen könnten die dunkle Materie sein, und daher könnte die Arbeit Fenster in einen komplexen dunklen Sektor öffnen, der auf grundlegendere Beschreibungen der Natur wie die Stringtheorie hinweist. Unser Vorschlag könnte auch andere Anwendungen haben, als Messungen von supermassiven Schwarzen Löchern Spins können verwendet werden, um die Entstehungsgeschichte des Schwarzen Lochs zu studieren“, sagt Rosalba Perna.

„Und wenn diese neuen Teilchen existieren, werden sie letztendlich beeinflussen, wie Sterne, die sich einem supermassiven Schwarzen Loch nähern, durch die starke Anziehungskraft des Schwarzen Lochs gestört werden“, fügt Peizhi hinzu.