Forschungsergebnisse bieten verräterische Anzeichen für dunkle Materie und Abdrücke Schwarzer Löcher auf Gravitationswellen

Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass unser Universum mit Schwarzen Löchern gefüllt ist und dass sie die lange gesuchten Kandidaten für dunkle Materie darstellen. EU-finanzierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen die Fingerabdrücke solcher rätselhaften Objekte.

Grundlagenforschung

Weltraum

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Die bahnbrechende Entdeckung des ersten direkten Nachweises von Gravitationswellen oder Wellen in der Raumzeit, die von kollidierenden Schwarzen Löchern erzeugt werden, bietet einen wertvollen neuen Einblick in die Praxis einer exotischen Physik der ersten verschleierten Augenblicke des Universums.
Gravitationswellen könnten Licht ins Dunkel tiefgreifender Rätsel wie die Natur der Schwarzen Materie bringen. Darüber hinaus könnten sie eine Möglichkeit bieten, die Gravitation in die Quantenmechanik einzubinden.

Quantengravitation würde faszinierende Fragen aufwerfen: Wäre eine klassische Beschreibung von Schwarzen Quantenlöchern eine gute Möglichkeit der Annäherung? „Bestimmte Quanteneffekte könnten sogar verhindern, dass sich Schwarze Löcher überhaupt bilden“, bemerkt Vitor Cardoso, Koordinator des EU-finanzierten Projekts MaGRaTh. MaGRaTh wurde eingerichtet, um präzise Vorhersagen zu all diesen grundlegenden physischen Phänomenen zu machen, die mit Hilfe von Gravitationswellendaten überprüft werden können.

Existieren Schwarze Löcher wirklich?

Beobachtungen von astrophysikalischen Objekten mit starken Gravitationsfeldern und damit großen Raum-Zeit-Krümmungen könnten auf das Vorhandensein neuer fundamentaler Felder und noch unentdeckter Teilchen hinweisen. Die Suche nach Antworten auf Fragen der zugrunde liegenden Physik starker Gravitationsfelder führte die MaGRaTh-Forschung in die Grenzbereiche zwischen Schwarzen Löchern und dunkler Materie.

„Wir haben uns auf das Verständnis konzentriert, wie sich starke Gravitationsfelder in der Nähe massereicher Objekte wie Schwarze Löcher verhalten. Haben Gravitationswellendaten wirklich das Vorhandensein Schwarzer Löcher offengelegt? Wenn dies der Fall ist, wie reagiert die Materie in der Nähe dieser massereichen Objekte?“, fragt Cardoso.

Wenn Schwarze Löcher wirklich existieren, sollten sie das perfekte Labor für die Untersuchung ihrer Umgebung sein. „Sie könnten die idealen Detektoren für neue Materiearten sein, ergänzend zu der Gravitation der sichtbaren Materie – sie könnten tatsächlich die versteckte dunkle Materie sein“, fügt Cardoso hinzu.

Quasi-Schwarze-Löcher ausschließen

MaGRaTh hat überraschende Ergebnisse vorgelegt, die nachweisen können, welche massereichen Objekte Gravitationswellen aussenden, die tatsächlich auf Schwarze Löcher zurückzuführen sind.

„Schwarze Löcher sind dafür bekannt, dass sie Licht und alles andere auf ihrem Weg verschlucken. Dieses Schicksal erwartet Strahlung/Teilchen, die über einen Punkt hinaus angezogen werden, der Ereignishorizont genannt wird“, erläutert Cardoso. Das Vorhandensein eines Ereignishorizonts ist der entscheidende Unterschied zwischen Schwarzen Löchern und exotischen kompakten Objekten, die sich scheinbar wie Schwarze Löcher verhalten.

„Wir haben entdeckt, dass Quasi-Schwarze-Löcher „Echos“ in den erzeugten Gravitationswellen produzieren. Solche Echosignale sind die schwächeren Versionen des Hauptereignisses und haben ein anderes Frequenzspektrum. Wichtig ist, dass sie einen schlagenden Beweis für Quasi-Schwarze-Löcher darstellen.“

Die Lösung der Einstein’schen Gleichungen für neue Materieformen

Für diese Quasi-Schwarzen-Löcher, die in Gravitationswellendaten auftauchen, haben die Forschenden Einsteins Gleichungen verwendet, um ihr Verhalten zu beschreiben und zu untersuchen, wie sie sich von Schwarzen Löchern unterscheiden. Cardoso und sein Team gingen noch einen Schritt weiter und führten Simulationen durch, um das Verhalten nicht-standardisierter Materie in der Umgebung von Schwarzen Löchern zu modellieren.

„Wenn es neue Materieformen gibt, welchen Einfluss haben sie dann auf Schwarze Löcher?“, fragt Cardoso. Dies ist eine spannende und auch schwierige Frage. Einsteins Gleichungen sind nichtlinear und werden noch viel komplizierter, wenn keine Näherungswerte zu ihrer Lösung verwendet werden.

Die Projektergebnisse zu den Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Schwarzen Löchern werden in zahlreichen Publikationen beschrieben. „Ein überraschendes Ergebnis war, dass bestimmte Arten von dunkler Materie fast die gesamte Rotationsenergie von Schwarzen Löchern aufsaugen können und sie dadurch stark verlangsamen!“, bemerkt Cardoso.

MaGRaTh-Daten liefern deutliche Anzeichen für eine neue Physik. Die Forschungsergebnisse scheinen die Annahmen des Teams über das Vorhandensein Schwarzer Löcher zu stärken und könnten der Astronomie dabei helfen, Kandidaten für dunkle Materie zu entdecken oder auszuschließen. „Supercomputer-Simulationen übernehmen einen großen Teil unserer Arbeit, aber das Verständnis und die Ausarbeitung der Ergebnisse liegen ganz in unseren Händen!", fasst Cardoso zusammen.

Schlüsselbegriffe

MaGRaTh, Schwarze Löcher, Dunkle Materie, Gravitationswellen, Quasi-Schwarze-Löcher, Echosignal

Projektinformationen

MaGRaTh

ID Finanzhilfevereinbarung: 646597

DOI 10.3030/646597

Projekt abgeschlossen

EK-Unterschriftsdatum 2 Juli 2015

Startdatum 1 Dezember 2015

Enddatum 30 November 2021

Finanziert unter

• EXCELLENT SCIENCE - European Research Council (ERC)

Gesamtkosten € 1 588 817,00

EU-Beitrag € 1 588 817,00

Koordiniert durch

INSTITUTO SUPERIOR TECNICO
Portugal