Gravitationswellen könnten Dunkle Materie spontan erzeugt haben – was auf jeden Fall besser ist, als nichts zu tun

Gravitationswellen könnten eine Schlüsselrolle bei der Entstehung Dunkler Materie in den frühesten Augenblicken des Universums gespielt haben, so eine neue Studie von Professor Joachim Kopp von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Exzellenzcluster PRISMA++ in Zusammenarbeit mit Dr. Azadeh Maleknejad von der Swansea University. Veröffentlicht in Physical Review Letters, stellt die Forschung frische Berechnungen vor, die auf einen bisher unerforschten Prozess hindeuten, bei dem sogenannte stochastische Gravitationswellen Dunkle Materie hervorbringen könnten.

Diese Arbeit befasst sich mit einer der größten unbeantworteten Fragen der Teilchenphysik. Alles, was wir sehen können, einschließlich Planeten, Sterne und Leben auf der Erde, besteht aus sichtbarer Materie, doch dies macht nur etwa vier Prozent des Universums aus. Der Großteil des Kosmos bleibt unsichtbar, bestehend aus Dunkler Materie und Dunkler Energie. Allein die Dunkle Materie macht etwa 23 Prozent des Universums aus.

Beobachtungen zeigen, dass Dunkle Materie im gesamten Weltraum verteilt ist und Galaxien sowie die größten kosmischen Strukturen formt. Trotz ihres enormen Einflusses wissen Wissenschaftler noch immer nicht, woraus Dunkle Materie besteht. Zahlreiche Theorien und Experimente sind im Gange, um ihre wahre Natur zu enthüllen.

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die von einigen der energiereichsten Ereignisse im Universum erzeugt werden, wie Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Allerdings stammen nicht alle Gravitationswellen von solch dramatischen Ereignissen. Ein anderer Typ, bekannt als stochastische Gravitationswellen, entsteht aus einer Reihe von Prozessen, die keine massiven Objekte beinhalten.

Diese Wellen sind viel schwächer und bilden einen Teil des Hintergrundsignals, das das Universum durchdringt. Viele von ihnen sind extrem alt und stammen aus den frühesten Phasen nach dem Urknall. Sie könnten während wichtiger Momente der kosmischen Geschichte erzeugt worden sein, einschließlich Phasenübergängen beim Abkühlen des Universums oder von primordialen Magnetfeldern.

„In diesem Artikel untersuchen wir die Möglichkeit, dass Gravitationswellen – von denen angenommen wird, dass sie im frühen Universum allgegenwärtig waren – teilweise in Dunkle-Materie-Teilchen umgewandelt werden“, erklärte Kopp. „Dies führt zu einem neuen Mechanismus der Dunkle-Materie-Produktion, der zuvor nicht erforscht wurde.“

Die Studie legt nahe, dass diese frühen Gravitationswellen Fermionen erzeugt haben könnten, die anfangs wenig oder keine Masse hatten. Fermionen sind eine breite Klasse von Teilchen, die vertraute Beispiele wie Elektronen, Protonen und Neutronen umfasst. Laut den Forschern könnten diese frühen Fermionen später Masse gewonnen haben und sich zu den Dunkle-Materie-Teilchen entwickelt haben, die heute existieren.

„Der nächste Schritt bei der Weiterentwicklung dieser Forschungsrichtung besteht darin, über unsere analytischen Schätzungen hinauszugehen und numerische Berechnungen durchzuführen, um die Genauigkeit unserer Vorhersagen zu verbessern. Ein weiterer Weg für die zukünftige Forschung ist die Untersuchung weiterer möglicher Effekte von Gravitationswellen im frühen Universum. Ein Beispiel dafür wäre ein Mechanismus, der den bekannten Unterschied zwischen Teilchen und Antiteilchen erklären könnte“, sagte Kopp.