Gravitationswellen könnten dunkle Materie enthüllen, die Neutronensterne in Schwarze Löcher verwandelt – Physics World

Gravitationswellen könnten dunkle Materie enthüllen, die Neutronensterne in Schwarze Löcher verwandelt – Physics World

Zeitstempel: 19. September 2023, 10:39 Uhr

Neutronenstern
Transformation: Neutronensterne könnten dunkle Materie ansammeln, die sie in kleine Schwarze Löcher verwandelt. (Mit freundlicher Genehmigung: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Ein Team theoretischer Physiker in Indien hat gezeigt, dass Gravitationswellen die Rolle aufdecken könnten, die dunkle Materie bei der Umwandlung von Neutronensternen in Schwarze Löcher spielen könnte.

Dunkle Materie ist eine hypothetische, unsichtbare Substanz, die das merkwürdige Verhalten großräumiger Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen erklären soll – ein Verhalten, das nicht durch die Schwerkraft allein erklärt werden kann.

Wenn sie existiert, muss dunkle Materie über die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie interagieren. Einige Modelle sagen jedoch voraus, dass dunkle Materie auch durch sehr schwache nichtgravitative Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie interagieren könnte.

Schwach, aber ausreichend

„Nicht-gravitative Wechselwirkung bedeutet, dass erwartet wird, dass [dunkle Materieteilchen] eine Art Wechselwirkung mit Protonen und Neutronen haben.“ Sulagna Bhattacharya sagte Physik-Welt. Bhattacharya ist ein Doktorand am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai und fügt hinzu: „Diese Wechselwirkungen mögen sehr schwach sein, aber sie könnten ausreichen, um den Teilchen der Dunklen Materie das Einfangen in einem Neutronenstern zu ermöglichen.“

Neutronensterne sind die dichten Kernreste massereicher Sterne, die als Supernovae explodiert sind. Sie sind sehr klein, vielleicht ein Dutzend Kilometer im Durchmesser, aber ihre Massen sind größer als die der Sonne. Der Kern eines Neutronensterns ist so dicht, dass er die Wahrscheinlichkeit von Wechselwirkungen zwischen normaler Materie und dunkler Materie erhöhen könnte.

Die maximale theoretische Masse, die ein Neutronenstern haben kann, beträgt 2.5 Sonnenmassen, in der Praxis sind die meisten jedoch viel kleiner, etwa 1.4 Sonnenmassen. Neutronensterne mit mehr als 2.5 Sonnenmassen kollabieren durch Gravitation und bilden Schwarze Löcher.

Die Lücke schließen

Schwarze Löcher mit stellarer Masse können auch direkt aus Supernovae (Explosionen großer Sterne) entstehen, theoretische Modellierungen legen jedoch nahe, dass Schwarze Löcher mit einer Masse von 2–5 Sonnenmassen nicht existieren sollten. Bis vor Kurzem wurde dies durch Beobachtungsergebnisse gestützt. Doch ab 2015 zeigten Beobachtungen von Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzlochpaaren die Existenz von Schwarzen Löchern innerhalb dieser Massenlücke.

Zum Beispiel, GW 190814 war ein im Jahr 2019 entdecktes Gravitationswellenereignis, an dem ein Objekt mit einer Sonnenmasse zwischen 2.50 und 2.67 beteiligt war. Ein weiteres mysteriöses Ereignis war GW 190425, ebenfalls im Jahr 2019 entdeckt, wobei das kombinierte Objekt eine Masse von 3.4 Sonnenmassen hatte. Dies ist eine wesentlich höhere Gesamtmasse als jedes bekannte binäre Neutronensternsystem.

Jetzt Bhattacharya, ihr Vorgesetzter Basudeb Dasgupta, Plus Ranjan Laha des Indian Institute of Science und Anupam Ray von der University of California, Berkeley, haben vorgeschlagen, dass dunkle Materie, die sich im Kern eines Neutronensterns ansammelt, die Kerndichte so weit erhöhen würde, dass er in ein Miniatur-Schwarzes Loch kollabiert. Dieses Schwarze Loch würde dann wachsen und den Neutronenstern verschlingen. Das Ergebnis wäre ein Schwarzes Loch mit einer geringeren Masse als erwartet. Und die Entdeckung solch massearmer Schwarzer Löcher wäre ein verlockender Beweis für die Dunkle Materie.

„Astrophysikalisch exotisch“

„Diese kompakten Objekte wären astrophysikalisch exotisch“, sagt Bhattacharya, der Hauptautor einer Arbeit, die diese Hypothese beschreibt Physical Review Letters. In ihrer Arbeit werden GW 190814 und GW 190425 als Verschmelzungen bezeichnet, an denen möglicherweise Schwarze Löcher beteiligt gewesen sein könnten, die mit Hilfe dunkler Materie entstanden seien.

Unabhängig davon, ob aus Neutronensternen umgewandelte Schwarze Löcher existieren oder nicht, wird die Suche nach ihnen laut Bhattacharya „einige erhebliche Einschränkungen für die Wechselwirkungen dunkler Materie mit Nukleonen“ mit sich bringen. Infolgedessen könnte die wachsende Zahl beobachteter Verschmelzungen es Physikern ermöglichen, verschiedene Modelle der Dunklen Materie zu bewerten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass es sich bei den in GW 190814 und GW 190425 beobachteten massearmen Objekten um ursprüngliche Schwarze Löcher handelt, die unmittelbar nach dem Urknall entstanden sind. Einige Theorien deuten jedoch darauf hin, dass urzeitliche Schwarze Löcher ein Bestandteil der Dunklen Materie sein könnten – die Untersuchung von Verschmelzungen könnte also noch mehr Informationen über die Natur der Dunklen Materie liefern.

Tatsächlich besteht der Hauptvorteil der Verwendung von Gravitationswellen bei der Suche nach Beweisen für Dunkle Materie darin, dass es sich um das empfindlichste Mittel handelt, das uns zur Verfügung steht, um die schwachen nichtgravitativen Wechselwirkungen von Dunkler Materie mit normaler Materie aufzuspüren.

Dies liegt daran, dass die Beobachtung von Gravitationswellen nicht dem „Neutrino-Boden“ unterliegt, der Experimente einschränkt, die auf den direkten Nachweis dunkler Materie abzielen. Das Wort bezieht sich auf die Tatsache, dass Neutrinos eine erhebliche Quelle für Hintergrundrauschen in Detektoren für dunkle Materie wie z LUX-ZEPLIN.

„Die von uns vorgeschlagene Methode kann die Regionen untersuchen, die aufgrund der begrenzten Exposition und Detektorempfindlichkeit außerhalb der Reichweite dieser terrestrischen Detektoren liegen“, sagt Bhattacharya.

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