Beobachtungen von Fusionen von Zwerggalaxien mit dem umlaufenden Gravitationsobservatorium LISA helfen Astronomen zu verstehen, ob schwere dunkle Materie existiert und welche Eigenschaften sie hat. Der Artikel der theoretischen Physiker wurde in astrophysikalischen Zeitschriftenbriefen veröffentlicht.
„Wir haben gezeigt, dass die Häufigkeit von Fusionen zwischen Zwerggalaxien und Schwarzen Löchern in ihren Zentren direkt davon abhängt, wie viel dunkle Materie in ihnen vorhanden ist. Heute glauben Theoretiker, dass es viel davon geben sollte, weshalb wir lange vermutet haben, dass es ihre kosmologischen Eigenschaften beeinträchtigen würde “, sagte Lucio Mayer von der Universität Zürich (Schweiz).
Die Fäden des Universums
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 Geschwindigkeit von Sternen in nahe gelegenen Galaxien zeigten jedoch, dass sich die Sterne am Stadtrand mit einer unglaublich hohen Geschwindigkeit bewegen, etwa zehnmal höher als Berechnungen, die auf den Massen aller Sterne basieren.
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 acht- bis zehnmal mehr dunkle Materie als ihre sichtbare Cousine, und diese dunkle Materie hält die Sterne an Ort und Stelle und verhindert, dass sie sich zerstreuen.
Die erfolglose Suche nach Spuren dunkler Materie auf der Erde lässt, wie Mayer bemerkt, viele Wissenschaftler bezweifeln, dass sie im Prinzip existiert oder aus superschweren und "kalten" Partikeln besteht - "WIMPs", die sich nur durch das Anziehen sichtbarer Cluster manifestieren Angelegenheit.
Mayer und seine Kollegen überlegten, wo und wie die "zuverlässigsten" Spuren dieser Form der dunklen Materie gefunden werden könnten. Ihre Aufmerksamkeit wurde auf Objekte gelenkt, von denen konventionelle kosmologische Theorien vorhersagen, dass sie fast ausschließlich aus dieser Substanz bestehen sollten - den dunkelsten Zwerggalaxien.
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Raum "Mixer"
Wissenschaftler haben ein Computermodell solcher "Stern-Megastädte" erstellt, das es ihnen ermöglichte, sie gegeneinander und gegen andere Objekte zu drücken sowie das Verhältnis der Masse der sichtbaren und dunklen Materie sowie ihre Verteilung über Galaxien zu ändern.
Diese Berechnungen zeigten unerwartet, dass das Verhalten zentraler Schwarzer Löcher in solchen Galaxien sowie die Häufigkeit ihrer Verschmelzung stark vom Vorhandensein dunkler Materie und einer ihrer spezifischen Eigenschaften abhängen - wie stark sich ihre Dichte am Rande und im Zentrum dieser Zwerge unterscheidet.
Es stellte sich heraus, dass sich Schwarze Löcher nähern, enge Paare bilden und nur in diesen Fällen verschmelzen konnten, wenn die Dunkle Materie extrem ungleichmäßig über solche Galaxien verteilt war. Dementsprechend kann die Beobachtung der Häufigkeit ihrer Verschmelzung Aufschluss darüber geben, wie dunkle Materie im gesamten Universum verteilt ist und ob sie im Prinzip existiert.
Wie berechnet man solche "kosmischen Unfälle"? Supermassive Schwarze Löcher, die einen kurzen Abstand voneinander umkreisen, senden Gravitationswellen mit sehr niedriger Frequenz aus. Sie werden für bodengestützte Teleskope unsichtbar sein, aber für das umlaufende Gravitationsobservatorium LISA, dessen Bau in der zweiten Hälfte des Jahres 2020 beginnen wird, gut sichtbar sein.
Es handelt sich um einen Satz von drei Satelliten, die die Schwankungen der Raumzeit verfolgen müssen, um zu beobachten, wie Gravitationswellen den Weg von Laserstrahlen ablenken, die alle drei LISA-Geräte verbinden.
Meyer und seine Kollegen hoffen, dass die LISA-Beobachtungen Wissenschaftlern helfen werden, die Existenz dunkler Materie zu bestätigen und welche Theorien, die ihre Struktur beschreiben, der Lösung der Geheimnisse des Lebens des Universums näher kommen.
