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Strong Gravity and High-Energy Physics

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Neue Tests bieten beweiskräftige Signaturen für dunkle Materie und modifizierte Schwerkraft

Gravitationswellen ermöglichen es der Astronomie, nach dem möglichen Ursprung von Phänomenen zu suchen, welche nur durch das Vorhandensein von dunkler Materie oder durch Änderungen in den Gravitationsgesetzen erklärt werden können. Die EU-Forschung hat aufschlussreiche Signaturen geliefert, die dazu führen könnten, noch unentdeckte Teilchen, Kräfte und Felder zu finden.

Grundlagenforschung
Weltraum

Die Entdeckung von Wellen in der Raumzeit, welche durch die Kollision zweier schwarzer Löcher erzeugt wurden, bestätigt Einsteins Theorie. Sie leistet aber noch viel mehr: Sie bietet der Astronomie ein Werkzeug für die Erprobung neuer Physik. Die Gravitationswellen könnten Licht auf Rätsel wie dunkle Energie und dunkle Materie werfen, welche nicht unter die Theorie des Standardmodells der Elementarteilchenphysik fallen. Darüber hinaus könnten sie den Astronomie-Forschenden bei der Beschreibung der Gravitation nach den Prinzipien der Quantenmechanik hilfreich sein.

An Einsteins Gravitationstheorie feilen

Eine Idee, die das Projekt StronGrHEP untersucht hat, ist die Erweiterung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie durch eine neue Theorie, die sogenannte Skalar-Tensor-Gravitation. Diese deutet darauf hin, dass das Universum mit einem zusätzlichen Feld gefüllt ist, das erst noch entdeckt werden muss. Diese Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert. Dies bedeutet, dass die Supernova-Explosion eines sterbenden Sterns nicht nur als ein Ausbruch von Gravitationswellen sichtbar wäre, sondern dass es auch ein Nachleuchten von Gravitationswellen gäbe, das zu entdecken wäre. „Wir könnten das Laser-Interferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) auf Regionen des Himmels richten, in denen Sterne explodiert sind – zum Beispiel Keplers Supernova – und so versuchen, ein solches Nachglühen aus dem Skalarfeld nachzuweisen, das möglicherweise noch Jahrhunderte nach der eigentlichen Explosion fortbesteht“, merkt Projektkoordinator Ulrich Sperhake an.

Schwarze Löcher als Boten modifizierter Gravitationstheorien

„Wenn zwei schwarze Löcher kollidieren, verschmelzen sie zu einem einzigen schwarzen Loch, das Gravitationswellen aussendet – ähnlich einer Glocke die zu klingen beginnt, wenn sie von einem Hammer angeschlagen wird. In diese Gravitationswellen sind bestimmte Frequenzen [Töne] eingebettet, die einzelnen Tönen in einem musikalischen Akkord ähneln. Das Frequenzspektrum dieser Töne kommt einem Fingerabdruck gleich, mit dem nicht nur ein schwarzes Loch identifiziert werden kann, sondern auch die Gravitationstheorie, die seine Schwingungen bestimmt“, erklärt Sperhake. Astronominnen und Astronomen können die Signale erkennen, wenn diese über der Empfindlichkeitsschwelle von LIGO/VIRGO bleiben. Das Projektteam hat einen solchen Ton aus dem Ereignishorizont eines schwarzen Lochs binär berechnet – er wäre von geringerer Stärke als derjenige, der 2015 entdeckt wurde. Dieser Fingerabdruck wird es ermöglichen, Beweise für Gravitationswellenechos zu suchen oder auszuschließen. Letztere stammen von Imitatoren schwarzer Löcher – exotische kompakte Objekte wie Wurmlöcher, die keinen Ereignishorizont haben. Diese Daten bilden die Grundlage dafür, die Gravitationstheorie eingehend zu testen und möglicherweise Beweise für ihren teilweisen Zusammenbruch zu finden. Das allererste Bild eines schwarzen Lochs, das 2019 mit dem Ereignishorizontteleskop aufgenommen wurde, könnte ebenfalls auf eine modifizierte Schwerkraft hinweisen. Das Bild entsprach den theoretischen Vorhersagen: Schwarze Löcher sind dunkle Schatten, die von einer Lichtkrone umgeben sind, welche von verschiedenen Regionen der Akkretionsscheibe ausgestrahlt wird. Die extreme Anziehungskraft des schwarzen Lochs verzerrt das Licht, wodurch die Scheibe einem Helm ähnelt. Das Team untersuchte diese Schatten schwarzer Löcher im Detail, unter den Prismen einer modifizierten Schwerkraft. Die dabei entstandenen Bilder zeigten eine bemerkenswert komplexe Struktur, die an fraktale Bilder erinnert.

Prominente Kandidaten der dunklen Materie

„Schatten schwarzer Löcher könnten auch durch das Vorhandensein von dunkler Materie beeinflusst werden“, fügt Sperhake an. Das Team modellierte, wie Schatten aussehen könnten, wenn die theoretischen subatomaren Axionteilchen vorhanden sind. Sehr helle bosonische Felder sind eine weitere Klasse ausgezeichneter Kandidaten für dunkle Materie. Falls sie tatsächlich existieren, sollten sie um rotierende schwarze Löcher herum kondensieren und dabei Wolken bilden. „Genau wie die Ozeane auf der Erde, werden diese Wolken von den Strömungen anderer massiver Körper getroffen. Wir haben gezeigt, dass die Wolken bei ausreichend großen Strömungen von ihrem Wirt, dem schwarzen Loch, weggerissen werden, und zwar in einem heftigen strömungsbedingten Störungsereignis“, so Sperhake abschließend.

Schlüsselbegriffe

StronGrHEP, schwarzes Loch, Gravitationswellen, dunkle Materie, modifizierte Schwerkraft, Standardmodell, Skalar-Tensor-Gravitation

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