Physiker finden eine Gravitationswelle, die vielleicht, möglicherweise, dunkle Materie sein könnte, die Verstecken spielt

Dunkle Materie, der berühmteste unsichtbare Hausgast des Universums, soll den Großteil der Materie im Kosmos ausmachen – doch niemand kann sie sehen, anfassen oder dazu bringen, zuzusagen. Anders als gewöhnliche Materie weigert sie sich, mit Licht oder elektromagnetischen Kräften zu interagieren, sodass die Schwerkraft der einzige bekannte Weg ist, ihre Anwesenheit zu erkennen. Nun glauben Forscher, dass kollidierende schwarze Löcher dieser schwer fassbaren Substanz endlich einen Grund geben könnten, sich zu zeigen.

Physiker am MIT und mehreren europäischen Institutionen haben eine Methode entwickelt, um mögliche Signale dunkler Materie aufzuspüren, die in Gravitationswellen versteckt sind – jenen Wellen in der Raumzeit, die entstehen, wenn massereiche Objekte wie schwarze Löcher spiralartig aufeinander zusteuern und verschmelzen. Wenn diese schwarzen Löcher vor der Kollision durch dichte Wolken dunkler Materie reisen, könnten die resultierenden Gravitationswellen subtile Spuren dieser Interaktion tragen, wie ein kosmischer Handabdruck auf einem Fenster. Das Team testete seinen Ansatz mit öffentlich zugänglichen Daten von LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), dem internationalen Netzwerk von Gravitationswellenobservatorien, das Verschmelzungen schwarzer Löcher und andere entfernte kosmische Ereignisse überwacht.

Die Forscher analysierten Signale aus den ersten drei Beobachtungsläufen von LVK und konzentrierten sich auf 28 der klarsten bisher entdeckten Gravitationswellenereignisse. Bei 27 dieser Ereignisse stimmten die Signale mit dem überein, was Wissenschaftler von schwarzen Löchern erwarten würden, die im leeren Raum verschmelzen – business as usual im Vakuum. Aber ein Signal, bekannt als GW190728, schien anders zu sein. Laut der Analyse des Teams könnte das Muster dieser Gravitationswelle Hinweise auf eine Interaktion mit dunkler Materie enthalten. Die Forscher betonen, dass dies nicht als bestätigte Entdeckung zählt – eher wie eine vielversprechende Spur in einem kosmischen Cold Case.

„Wir wissen, dass dunkle Materie um uns herum ist. Sie muss nur dicht genug sein, damit wir ihre Effekte sehen können“, sagt Josu Aurrekoetxea, Postdoktorand am MIT Department of Physics. „Schwarze Löcher bieten einen Mechanismus, um diese Dichte zu erhöhen, die wir nun suchen können, indem wir die Gravitationswellen analysieren, die bei ihrer Verschmelzung ausgesendet werden.“ Die Ergebnisse erscheinen in Physical Review Letters, verfasst von Aurrekoetxea, LVK-Mitglied Soumen Roy von der Université Catholique de Louvain (UCLouvain) in Belgien, Rodrigo Vicente von der Universität Amsterdam, Katy Clough von der Queen Mary University of London und Pedro Ferreira von der Oxford University.

Dunkle Materie bleibt eine der größten Peinlichkeiten der Physik – Wissenschaftler schließen ihre Existenz daraus, dass die Schwerkraft um Galaxien stärker erscheint, als es allein durch sichtbare Materie erklärbar ist, und Beobachtungen von Gravitationslinseneffekten zeigen eine zusätzliche Masse, die Licht ablenkt. Aktuelle Schätzungen deuten darauf hin, dass dunkle Materie mehr als 85 Prozent der Materie im Universum ausmachen könnte, aber Forscher wissen immer noch nicht, was sie eigentlich ist. Eine vorgeschlagene Form beinhaltet extrem leichte Teilchen, sogenannte „leichte skalare“ Teilchen, von denen Theorien besagen, dass sie sich in der Nähe von schwarzen Löchern wie koordinierte Wellen verhalten können. Wissenschaftler glauben, dass, wenn diese Wellen auf ein schnell rotierendes schwarzes Loch treffen, die Rotationsenergie des schwarzen Lochs auf die Wellen der dunklen Materie übertragen werden kann, was deren Dichte dramatisch erhöht – ein Prozess, der als Superradianz bekannt ist und mit dem Schlagen von Sahne zu Butter verglichen wurde. (Wir sind nicht sicher, ob dunkle Materie nach Butter schmeckt, aber die Analogie hält.) Wenn die Dichte hoch genug wird, könnte die dunkle Materie die Gravitationswellen verändern, die bei Kollisionen schwarzer Löcher entstehen.

Um dies zu untersuchen, erstellten die Forscher detaillierte Simulationen von Verschmelzungen schwarzer Löcher unter vielen verschiedenen Bedingungen, wobei sie Faktoren wie die Massen und Größen der schwarzen Löcher, die Menge der umgebenden dunklen Materie und deren Dichte variierten. Mit diesen Simulationen sagte das Team voraus, wie Gravitationswellen aussehen würden, wenn schwarze Löcher in einer dichten Umgebung dunkler Materie statt im Vakuum verschmelzen, und berücksichtigte, wie sich diese Wellen auf ihrer Reise über Millionen von Lichtjahren zur Erde verändern. Beim Vergleich ihrer Vorhersagen mit tatsächlichen LVK-Beobachtungen war GW190728 das einzige Ereignis von 28, das eine