Die Beobachtung des "Schüttelns" der Verschmelzung von Schwarzen Löchern hilft Wissenschaftlern herauszufinden, ob es Axionen, ultraleichte Teilchen dunkler Materie oder andere Kandidaten für die Rolle der "sechsten Kraft der Natur" gibt. Zu diesem Schluss kommen Astronomen, die einen Artikel in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht haben.
Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass das Universum aus der Materie besteht, die wir sehen und die die Grundlage aller Sterne, Schwarzen Löcher, Nebel, Staubhaufen und Planeten bildet. Die ersten Beobachtungen der Bewegungsgeschwindigkeit von Sternen in nahe gelegenen Galaxien zeigten jedoch, dass sich die Sterne am Stadtrand mit einer unglaublich hohen Geschwindigkeit in ihnen bewegen, die etwa zehnmal höher war als Berechnungen, die auf den Massen aller Sterne in ihnen basierten.
Der Grund dafür war laut heutigen Wissenschaftlern die sogenannte dunkle Materie - eine mysteriöse Substanz, die etwa 75% der Masse der Materie im Universum ausmacht. Typischerweise hat jede Galaxie etwa 8 bis 10 Mal mehr dunkle Materie als ihre sichtbare Cousine, und diese dunkle Materie hält die Sterne an Ort und Stelle und verhindert, dass sie sich zerstreuen.
Heute sind fast alle Wissenschaftler von der Existenz der Dunklen Materie überzeugt, aber ihre Eigenschaften bleiben neben ihrem offensichtlichen Einfluss der Gravitation auf Galaxien und Galaxienhaufen ein Rätsel und werden von Astrophysikern und Kosmologen kontrovers diskutiert. Wissenschaftler haben lange Zeit angenommen, dass es aus superschweren und "kalten" Partikeln besteht - "Weicheier", die sich in keiner Weise manifestieren, außer indem sie sichtbare Materiecluster anziehen.
Die erfolglose Suche nach "WIMPs" in den letzten zwei Jahrzehnten hat viele Theoretiker zu der Annahme geführt, dass dunkle Materie tatsächlich "hell und flauschig" sein kann und aus sogenannten Axionen besteht - ultraleichten Teilchen, deren Masse und Eigenschaften Neutrinos ähneln. Ihre erste Suche endete ebenfalls vergebens, was diese unsichtbare Substanz noch mysteriöser macht.
Baumann und seine Kollegen haben einen höchst unorthodoxen Weg formuliert, um diese Partikel zu finden, indem sie untersucht haben, was in der Nähe eines Paares rotierender Schwarzer Löcher geschieht, die sich darauf vorbereiten, miteinander zu verschmelzen.
Wie die Wissenschaftler feststellten, wird ihre Bewegung in besonderer Weise die Struktur der umgebenden Raumzeit beeinflussen, zum Auftreten von Axionen und anderen ultraleichten Partikeln beitragen und deren gegenseitige Vernichtung und Selbstzerstörung verhindern.
Infolgedessen werden die Schwarzen Löcher von einer Art "Atmosphäre" oder "Wolke" von Axionen umgeben sein, wie Wissenschaftler diese Struktur nennen. Es wird sich wie ein künstliches Atom verhalten, das seine Bewegung verlangsamt, Gravitationswellen aussendet und auf besondere Weise den Prozess ihrer Verschmelzung beeinflusst.
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Dieser Einfluss wird wiederum während des sogenannten "Jittery" besonders ausgeprägt sein - einer besonderen Phase im Leben eines neugeborenen Schwarzen Lochs, in der überschüssige Rotationsenergie in Form von Gravitationswellen abgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt sieht es nicht wie eine perfekte Kugel aus, sondern wie eine längliche oder gedehnte Ellipse, die allmählich eine "normale" Form annimmt.
Wie die Berechnungen von Baumann und seinen Kollegen zeigen, verschwindet ihre Wolke nach dem Zusammenschluss plötzlich, wenn Axionen oder andere Lichtteilchen vorhanden sind, und schwächt zu Beginn des "Jitters" die durch diesen Prozess erzeugten Gravitationswellen und führt einzigartige Verzerrungen in sie ein.
Können solche Schwankungen festgestellt werden? Laut Astrophysikern ist es unwahrscheinlich, dass bodengestützte Gravitationsteleskope wie LIGO und ViRGO dieses Problem lösen können, da ein Paar schwarzer Löcher in der Milchstraße gefunden werden müsste, die kurz vor der Verschmelzung stehen. Dies ist höchst unwahrscheinlich.
Andererseits sollte das Orbitalobservatorium LISA, das supermassereiche Schwarze Löcher in anderen Galaxien verfolgen kann, diese Aufgabe bewältigen und Spuren aller möglichen Lichtteilchen finden können.
Wenn sich diese Idee rechtfertigt, werden solche Paare von Schwarzen Löchern, wie Wissenschaftler glauben, für uns zu einer Art "Gravitationskollider", die wirklich nach "neuer Physik" jenseits des Standardmodells suchen können.
