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Mit Gravitationswellen die Dunkle Materie ausleuchten

Schwarze Löcher stossen zusammen, Gravitationswellen breiten sich durch die Raumzeit aus - und ein riesiges Messgerät ermöglicht es, die Struktur des Universums zu erkunden. Dies könnte bald Realität werden, wenn die Raumantenne LISA ihren Betrieb aufnimmt. UZH-Forschende zeigen nun, dass LISA auch Aufschluss über die schwer fassbaren Partikel der Dunklen Materie geben könnte.

Dank der Laserinterferometer-Raumantenne (LISA) können Astrophysiker Gravitationswellen beobachten, die von Schwarzen Löchern ausgesendet werden. Diese Schockwellen entstehen, wenn Schwarze Löcher zusammenstossen oder sich gegenseitig schlucken. Das Weltraumprojekt LISA wird aus drei Raumsonden bestehen, die in einer konstanten Dreiecksformation um die Sonne kreisen und durch Laserstrahlen miteinander verbunden sind. Durchlaufen Gravitationswellen die Schenkel des Dreiecks, kommt es zu minimalen Verzerrungen des Laserstrahls, welche die Messgeräte erkennen und aufzeichnen. So wird LISA neue Erkenntnisse über das Universum ermöglichen und dazu beitragen, bisher unsichtbare Phänomene zu ergründen.

Zwerggalaxien sind natürliche Labore

Forschende des Zentrums für Theoretische Astrophysik und Kosmologie der Universität Zürich haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Griechenland und Kanada aufgezeigt, dass LISA künftig nicht nur bisher unerforschte Gravitationswellen messen, sondern auch mithelfen könnte, das Mysterium der Dunklen Materie zu ergründen.

Es wird angenommen, dass die Partikel der Dunklen Materie etwa 85 Prozent der gesamten Struktur des Universums ausmachen. Die Existenz dieser Partikel ist aber immer noch hypothetisch – genau so wie deren Beschaffenheit noch immer im Dunkeln liegt. Berechnungen zeigen jedoch, dass viele der um sich selbst drehenden Galaxien auseinander gerissen würden, wenn sie nicht durch viel Dunkle Materie zusammengehalten würden.

Das gilt besonders für Zwerggalaxien. Diese kleinen, nicht sehr hell leuchtenden Galaxien kommen im Universum am häufigsten vor. Das macht sie für Astrophysiker zu natürlichen Labors für die Erforschung der schwer fassbaren Dunklen Materie.

Schwarze Löcher und Dunkle Materie sind verbunden

Wie die Forschenden in «Astrophysical Journal Letters» berichten, lieferten die hochauflösenden Computersimulationen von Tomas Ramfal, Doktorand am Institut für Computational Science der Universität Zürich, überraschende Ergebnisse zur Geburt von solchen Zwerggalaxien. Das Zürcher Forscherteam berechnete das Zusammenspiel von Dunkler Materie, Sternen und den zentralen Schwarzen Löchern innerhalb der Galaxien und entdeckte einen starken Zusammenhang: Je mehr Schwarzen Löcher miteinander fusionieren, desto grösser ist die Menge an Dunkler Materie im Zentrum der Zwerggalaxien. Die Gravitationswellen, die von diesen zusammenschmelzenden Löchern ausgesendet werden, könnten daher auch Hinweise auf die Beschaffenheit der hypothetischen Partikel der Dunklen Materie geben.

Diese neu gefundene Verbindung zwischen Schwarzen Löchern und Dunkler Materie wurde nun erstmals mathematisch beschrieben. Dies sei kein Zufallstreffer, betont Gruppenleiter Lucio Mayer von der Universität Zürich: «Dunkle Materie ist charakteristisch für Zwerggalaxien. Wir vermuteten daher schon lange, dass Dunkle Materie auch einen wichtigen Einfluss auf die Zusammensetzung des Kosmos hat.»

Vielversprechende Perspektive für künftige Missionen

Die Studie der Universität Zürich kommt zu einem Zeitpunkt, zu demdie Vorbereitungen für das endgültige Design von LISA in vollem Gange sind. So nahm das LISA-Konsortium die ersten Ergebnisse der Simulationen mit grossem Interesse auf. Die Physikgemeinde sieht in diesem zusätzlichen Nutzen der Gravitationswellenbeobachtung durch LISA eine vielversprechende Perspektive für eine der grössten zukünftigen europäischen Raumfahrtmissionen, die in rund 15 Jahren starten soll: Sie könnte Kosmologie und Teilchenphysik verbinden – vom unglaublich Grossen bis ins unvorstellbar Kleine.

Literatur:

Tomas Tamfal, Pedro R. Capelo, Stelios Kazantzidis, Lucio Mayer, Douglas Potter, Joachim Stadel, and Lawrence M. Widrow. Formation of LISA Black Hole Binaries in Merging Dwarf Galaxies: The Imprint of Dark Matter. The Astrophysical Journal Letters, 30. August 2018. http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aada4b

Quelle: Text Universität Zürich, 22. Oktober 2018

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Schwarzes Loch Supermassereicher Raum im Zentrum einer Galaxie. Um Schwarze Löcher herum bewegen sich Gaswolken. Wenn das Gas am schwarzen Loch vorbei fliegt, kehrt es seine Geschwindigkeit um. Die ersten superschweren Schwarzen Löcher sind kurz nach dem Urknall entstanden. Die superschweren Schwarzen Löcher haben sich vor 13 Milliarden Jahren durch die Kollision von Galaxien gebildet. Riesige Galaxien und supermassive Schwarze Löcher entstehen schnell. Kleine Galaxien dagegen - wie z.B. unsere eigene Galaxie, die Milchstrasse, und ihr vergleichsweise kleines Schwarze Loch im Zentrum - sind langsamer entstanden. Dieses ist mit etwa 1 Million Sonnenmasse deutlich kleiner als die 1 Milliarde Sonnenmasse, welche diesimulierten Schwarzen Löcher wiegen. Gravitationswellen Gravitationswellen sind eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Danach erzeugen beschleunigte Bewegungen grosser Massen Kräuselungen in der Raumzeit, die sich noch in grosser Entfernung als winzige Abstandsänderungen zwischen Objekten nachweisen lassen. Doch selbst Gravitationswellen, die von astrophysikalischen Quellen - wie Sternexplosionen oder verschmelzenden schwarzen Löchern - erzeugt werden, verändern die Länge einer einen Kilometer langen Messstrecke nur um den Tausendstel Durchmesser eines Protons (10-18 Meter). Erst jetzt haben die Detektoren die erforderliche Empfindlichkeit erreicht, um Gravitationswellen zu messen. Die Beobachtung des bislang dunklen "gravitativen Universums" läutet ein neues Zeitalter der Astronomie ein. Quelle: Leibniz Universität Hannover Dunkle Materie 95 Prozent der bisher gewonnenen Erkenntnissen der Kosmologie bilden so genannte Dunkle Energie und Dunkle Materie, deren physikalische Natur bislang völlig ungeklärt ist. Die Dunkle Energie erfüllt das Universum homogen und bewirkt, dass es beschleunigt expandiert. Die Dunkle Materie macht sich bei vielen astrophysikalischen Beobachtungen durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar. Quelle: Karlsruhe Institute of Technology

Spiralgalaxien Das Bild zeigt zwei Spiralgalaxien, links die grössere (NGC 2207) und rechts die kleinere (IC 2163). Die unvorstellbar starken Gravitationskräfte von NGC 2207 verändern deutlich die Gestalt von IC 2163. In Milliarden von Jahren werden diese beiden Galaxien eins sein. Die Aufnahme stammt vom Hubble-Space-Teleskop. (Bild: NASA)

Wo Licht ist, ist auch viel dunkle Materie

Der Himmel wie Planck ihn sieht

Planck fotografiert den Himmel Video Artikel Der ESA-Satellit Planck kartiert das Universum. Am Ende seiner Mission im Jahr 2012 hat der Satellit den Himmel insgesamt viermal vollständig abgetastet. Der erste komplette Datensatz der kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung steht ab 2012 zur Verfügung stehen.

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