Die Jagd nach Gravitationswellen – Pulsationen in Raum und Zeit, die durch große kosmische Kataklysmen verursacht werden – könnte dabei helfen, eines der anderen Rätsel des Universums zu lösen – Bosonenwolken und ob sie ein Hauptkandidat für dunkle Materie sind.
Um potenzielle Bosonenwolken zu erkennen, verwenden Forscher leistungsstarke Instrumente wie das Laser Interferometric Gravitational-Wave Advanced Observatory (LIGO), Virgo Advanced und KAGRA, die Gravitationswellen in einer Entfernung von bis zu Milliarden Lichtjahren aufzeichnen.
Bosonenwolken, die aus ultraleichten subatomaren Teilchen bestehen, die praktisch nicht nachweisbar sind, wurden als mögliche Quelle dunkler Materie vorgeschlagen, die etwa 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht.
Jetzt bietet eine große neue internationale Studie der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration unter der Leitung von Wissenschaftlern der Australian National University (ANU) eine der besten Möglichkeiten, diese subatomaren Teilchen zu finden, indem sie nach Gravitationswellen sucht, die von Bosonenwolken verursacht werden, die schwarze Löcher umkreisen .
Dr. Lilly Sun vom Zentrum für Gravitations-Astrophysik der ANU sagte, die Studie sei die weltweit erste Himmelsdurchmusterung, die darauf abzielt, nach vorhergesagten Gravitationswellen zu suchen, die von möglichen Bosonenwolken in der Nähe von schnell rotierenden Schwarzen Löchern ausgehen.
„Es ist fast unmöglich, diese ultraleichten Bosonen auf der Erde nachzuweisen. Diese Teilchen, falls sie existieren, haben eine extrem geringe Masse und interagieren selten mit anderer Materie, was eine der Schlüsseleigenschaften ist, die dunkle Materie zu haben scheint.“ Dunkle Materie ist Material, das nicht direkt gesehen werden kann, aber wir wissen, dass dunkle Materie existiert, weil sie Objekte beeinflusst, die wir beobachten können. Aber indem wir die von diesen Wolken ausgesandten Gravitationswellen untersuchen, können wir diese schwer fassbaren bosonischen Teilchen möglicherweise aufspüren und vielleicht den Code der Dunklen Materie knacken. Unsere Suche könnte es uns auch ermöglichen, einige ultraleichte Bosonen auszuschließen, von denen unsere Theorien vermuten lassen, dass sie existieren könnten, aber tatsächlich nicht existieren“, sagte Dr. Sun.
Dr. Sun, der auch Nachwuchsforscher am ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (OzGrav) ist, sagt, dass Gravitationswellendetektoren es Forschern ermöglichen, die Energie von schnell rotierenden Schwarzen Löchern zu untersuchen, die von solchen Wolken emittiert werden, falls es solche gibt.
„Wir glauben, dass diese Schwarzen Löcher eine große Anzahl bosonischer Teilchen in ihrem starken Gravitationsfeld einfangen und eine Wolke erzeugen, die mit ihnen korreliert. Dieser Tanz findet seit Millionen von Jahren statt und erzeugt weiterhin Gravitationswellen, die durch den Weltraum reisen“, sagte sie.
Obwohl die Forscher Gravitationswellen von Bosonenwolken noch nicht entdeckt haben, sagte Dr. Sun, dass die Wissenschaft der Gravitationswellen „Türen geöffnet hat, die Wissenschaftlern zuvor verschlossen waren“. „Die Entdeckung von Gravitationswellen liefert nicht nur Informationen über mysteriöse kompakte Objekte im Universum, wie schwarze Löcher und Neutronensterne, sondern ermöglicht uns auch die Suche nach neuen Teilchen und dunkler Materie. Zukünftige Gravitationswellendetektoren werden sicherlich weitere Möglichkeiten eröffnen. Wir werden in der Lage sein, tiefer in das Universum einzudringen und mehr Informationen über diese Teilchen zu entdecken. Beispielsweise wird die Erkennung von Bosonenwolken durch Gravitationswellendetektoren wichtige Informationen über dunkle Materie liefern und dazu beitragen, andere Suchen nach dunkler Materie voranzutreiben. Es wird auch unser Verständnis der Teilchenphysik im weiteren Sinne verbessern“, sagte sie.
Eine weitere wichtige Entdeckung war, dass die Studie angesichts ihres Alters Aufschluss über die Wahrscheinlichkeit der Existenz von Bosonenwolken in unserer Galaxie gab. Dr. Sun sagte, die Stärke jeder Gravitationswelle hänge vom Alter der Wolke ab, wobei ältere Wolken schwächere Signale senden. „Die Bosonenwolke zieht sich zusammen, wenn sie Energie verliert, und sendet Gravitationswellen aus“, sagte Dr. Sun.
„Wir haben herausgefunden, dass eine bestimmte Art von Bosonenwolken, die jünger als 1000 Jahre sind, wahrscheinlich nirgendwo in unserer Galaxie existiert, und Wolken, die bis zu 10 Millionen Jahre alt sind, wahrscheinlich nicht innerhalb von etwa 3260 Lichtjahren von der Erde existieren.“
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