Dunkle Materie besteht nicht aus schwarzen Löchern

Im Februar 2016 haben Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) Geschichte geschrieben, als sie die erste Detektion von Gravitationswellen ankündigten. Seitdem wurden mehrere Erkennungen durchgeführt, und wissenschaftliche Kooperationen zwischen Observatorien – wie Advanced LIGO und Advanced Virgo – ermöglichen ein beispielloses Maß an Sensibilität und Datenaustausch.

Dieses Ereignis bestätigte nicht nur eine jahrhundertealte Vorhersage von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie, sondern führte auch zu einer Revolution in der Astronomie. Es weckte auch die Hoffnungen einiger Wissenschaftler, die glaubten, dass Schwarze Löcher für die „fehlende Masse“ des Universums verantwortlich sein könnten. Leider hat eine neue Studie eines Teams von UC Berkeley-Physikern gezeigt, dass Schwarze Löcher nicht die lang ersehnte Quelle der Dunklen Materie sind.

Ihre Studie „Grenzen für kompakte Objekte mit stellarer Masse als dunkle Materie durch Gravitationslinsen von Supernovae vom Typ Ia“ erschien kürzlich in der Briefe zur körperlichen Überprüfung. Die Studie wurde von Miguel Zumalacarregu, Marie Curie Global Fellow am Berkeley Center für kosmologische Physik (BCCP), mit Unterstützung von Uros Seljak, Professor für Kosmologie und Co-Direktor des BCCP, geleitet.

Um es einfach auszudrücken: Dunkle Materie bleibt eines der schwer fassbaren und lästigsten Rätsel, mit denen Astronomen heute konfrontiert sind. Trotz der Tatsache, dass es 84,5% der Materie im Universum ausmacht, sind alle Versuche, es zu entdecken, bisher gescheitert. Es wurden viele Kandidaten vorgeschlagen, die von ultraleichten Partikeln (Axionen) bis zu schwach wechselwirkenden massiven Partikeln (WIMPS) und massiven kompakten Halo-Objekten (MACHOs) reichen.

Die Masse dieser Kandidaten liegt jedoch in der Größenordnung von 90, was mehrere Theoretiker zu lösen versucht haben, indem sie vorgeschlagen haben, dass es mehrere Arten von Dunkler Materie geben könnte. Dies würde jedoch unterschiedliche Erklärungen für ihre Herkunft erfordern, was die kosmologischen Modelle nur noch weiter komplizieren würde. Wie Miguel Zumalacárregui kürzlich in einer Pressemitteilung der UC Berkeley erklärte:

„Ich kann mir vorstellen, dass es zwei Arten von Schwarzen Löchern sind, sehr schwere und sehr leichte, oder Schwarze Löcher und neue Partikel. In diesem Fall ist eine der Komponenten um Größenordnungen schwerer als die andere, und sie müssen in vergleichbarer Menge hergestellt werden. Wir würden von etwas Astrophysikalischem zu etwas übergehen, das wirklich mikroskopisch ist, vielleicht sogar das leichteste im Universum, und das wäre sehr schwer zu erklären. “

Für ihre Studie führte das Team eine statistische Analyse von 740 der hellsten Supernovae durch (Stand 2014), um festzustellen, ob eine von ihnen durch das Vorhandensein eines dazwischenliegenden Schwarzen Lochs vergrößert oder aufgehellt wurde. Dieses Phänomen, bei dem die Gravitationskraft eines großen Objekts das von weiter entfernten Objekten kommende Licht vergrößert, wird als „Gravitationslinse“ bezeichnet.

Wenn Schwarze Löcher die dominierende Form der Materie im Universum wären, würden im Grunde genommen gravitativ vergrößerte Supernovae aufgrund ursprünglicher Schwarzer Löcher ziemlich häufig auftreten. Es wird angenommen, dass sich diese hypothetischen Formen des Schwarzen Lochs innerhalb der ersten Millisekunden nach dem Urknall in Teilen des Universums gebildet haben, in denen die Masse auf zehn oder Hunderte von Sonnenmassen konzentriert war, wodurch sich die frühesten Schwarzen Löcher bildeten.

Das Vorhandensein dieser Population von Schwarzen Löchern sowie massiver kompakter Objekte würde das Licht entfernter Objekte auf dem Weg zur Erde gravitativ biegen und vergrößern. Dies gilt insbesondere für entfernte Supernovae vom Typ Ia, die Astronomen seit Jahrzehnten als Standardhelligkeitsquelle für die Messung kosmischer Entfernungen und der Geschwindigkeit verwenden, mit der sich das Universum ausdehnt.

Nach einer komplexen statistischen Analyse der Daten zur Helligkeit und Entfernung von 740 Supernovae – 580 in der Union und 740 in den JLA-Katalogen (Joint Light-Curve Analysis) – gelangte das Team jedoch zu dem Schluss, dass acht der Supernovae um a heller sein sollten wenige Zehntel Prozent als historisch beobachtet. Es wurde jedoch keine solche Aufhellung festgestellt, selbst wenn schwarze Löcher mit geringer Masse berücksichtigt wurden.

"Sie können diesen Effekt bei einer Supernova nicht sehen, aber wenn Sie alle zusammenfügen und eine vollständige Bayes'sche Analyse durchführen, wird die Dunkle Materie sehr stark eingeschränkt, da jede Supernova zählt und Sie so viele davon haben", sagte Zumalacárregui.

Aus ihrer Analyse schlossen sie, dass Schwarze Löcher nicht mehr als etwa 40% der dunklen Materie im Universum ausmachen können. Nachdem 1.048 weitere helle Supernovae aus dem Pantheon-Katalog (und in größeren Entfernungen) aufgenommen wurden, wurden die Einschränkungen noch strenger. Mit diesem zweiten Datensatz erreichten sie eine noch niedrigere Obergrenze – 23% – als in ihrer ursprünglichen Analyse.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass keine der dunklen Materien des Universums aus schweren Schwarzen Löchern oder ähnlich massiven Objekten wie MACHOs besteht. "Wir sind zurück zu den Standarddiskussionen", sagte Seljak. „Was ist dunkle Materie? In der Tat gehen uns die guten Optionen aus. Dies ist eine Herausforderung für zukünftige Generationen. “

Diese Studie basiert auf früheren Forschungen von Seljak Ende der neunziger Jahre, als Wissenschaftler MACHOs und andere massive Objekte als mögliche Quelle für dunkle Materie betrachteten. Die Studie war jedoch begrenzt, da zu diesem Zeitpunkt nur eine geringe Anzahl entfernter Supernovae vom Typ Ia entdeckt oder deren Entfernungen gemessen worden waren.

Darüber hinaus verlagerte sich die Suche nach Dunkler Materie kurz darauf von großen Objekten zu fundamentalen Partikeln (wie WIMPs). Infolgedessen wurden die untersuchten Follow-up-Pläne nicht umgesetzt. Dank der LIGO-Beobachtungen von Gravitationswellen wurde die mögliche Verbindung zwischen Schwarzen Löchern und Dunkler Materie erneut deutlich und inspirierte Seljak und Zumalacárregui, ihre Analyse durchzuführen.

"Was faszinierend war, war, dass die Massen der Schwarzen Löcher im LIGO-Ereignis genau dort waren, wo Schwarze Löcher noch nicht als dunkle Materie ausgeschlossen worden waren", sagte Seljak. „Das war ein interessanter Zufall, der alle begeistert hat. Aber es war ein Zufall. “

Die Theorie der Dunklen Materie wurde in den 1970er Jahren während des „Goldenen Zeitalters der Relativitätstheorie“ offiziell übernommen, um die Diskrepanzen zwischen der scheinbaren Masse von Objekten im Universum und ihren beobachteten Gravitationseffekten zu berücksichtigen. Es scheint, dass wir ein halbes Jahrhundert später immer noch versuchen, diese mysteriöse, unsichtbare Masse aufzuspüren. Aber mit jeder Studie werden der Dunklen Materie zusätzliche Einschränkungen auferlegt und mögliche Kandidaten beseitigt.

Mit der Zeit könnten wir dieses kosmologische Geheimnis einfach aufdecken und dem Verständnis, wie sich das Universum gebildet und entwickelt hat, einen Schritt näher kommen.

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