(Bildnachweis: NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt)
Es stellt sich heraus, dass dunkle Materie singen kann, aber nur, wenn man ihr ein Mikrofon aus einem schwarzen Loch gibt.
Die wahre Natur der dunklen Materie ist den Wissenschaftlern seit Jahrzehnten ein Rätsel. Um zu erklären, warum die Teilchen der dunklen Materie in keinem Experiment direkt nachgewiesen werden konnten, haben sich die Physiker gefragt, ob es sich um eine Art Teilchen handeln könnte, das als Axion bekannt ist. Axionen werden in hochtheoretischen Modellen der starken Kernkraft vorhergesagt und kommen auch in verschiedenen Versionen der Stringtheorie vor.
Wenn es sich bei der dunklen Materie um ein Axion handelt, dann könnte jedes einzelne Teilchen unglaublich leicht sein – irgendwo zwischen einem Billionstel und einem Tausendstel der Masse eines Elektrons. Dadurch würde sich die dunkle Materie auf einer großen Skala sehr seltsam verhalten. Sie wäre so leicht, dass ihre Quantenwellennatur in den Vordergrund treten würde. Mit anderen Worten: Wir würden nicht in einem schwirrenden Schwarm teilchenartiger dunkler Materie leben, sondern in einem schwappenden Meer aus dunkler Materie.
Obwohl diese Hypothese faszinierend ist, macht sie den Nachweis dunkler Materie noch schwieriger, da dunkle Materie nur selten, wenn überhaupt, mit normaler Materie wechselwirkt. Das bedeutet, dass wir sie in unseren Experimenten zum direkten Nachweis nicht sehen würden. Eine der einzigen Möglichkeiten, diese Art von dunkler Materie nachzuweisen, wären ihre gravitativen Wechselwirkungen.
Nun sagt ein Forscherteam, dass Schwarze Löcher der perfekte Prüfstand sein könnten, um diese Art von dunkler Materie zu finden. Sie diskutierten ihre Ergebnisse in einem Papier, das im Oktober in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht wurde. (Es wurde noch nicht von Fachkollegen geprüft oder in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht).
Schwarze Löcher und Axionen würden auf eine sehr überraschende Weise miteinander interagieren. Durch einen Prozess, der als Superradianz bekannt ist, könnte die dunkle Materie einem rotierenden schwarzen Loch Energie entziehen. Im Laufe der Zeit würde die dunkle Materie das Schwarze Loch weiter umkreisen und schließlich eine dichte Wolke aus dunkler Materie um es herum bilden.
Sobald die dunkle Materie dem Schwarzen Loch genügend Rotationsenergie entzogen hat, wird sie langsamer, was die Freisetzung der Teilchen der dunklen Materie in einer Kaskade völlig unsichtbarer Emissionen auslöst. Die emittierte dunkle Materie würde zwar keine Strahlung aussenden, aber die Raumzeit beeinflussen.
Die Forscher fanden heraus, dass die emittierte dunkle Materie die Raumzeit wie eine Glocke um das Schwarze Loch herum zum Klingen bringen würde. Das Signal wäre zwar nicht so stark wie bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern, aber es könnte mit Experimenten im Sonnensystem nachweisbar sein.
Die ausgesendeten Gravitationswellen würden in einem Frequenzbereich liegen, der mit bodengestützten Experimenten wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory und dem Virgo-Interferometer (für Axionen mit hoher Masse) und mit weltraumgestützten Detektoren wie der kommenden Laser Interferometer Space Antenna (für Axionen mit extrem niedriger Masse) nachgewiesen werden könnte.
So oder so gibt es derzeit keinen Beweis für die Existenz dieser Axionen, und wir haben diese Art von Signalen noch nie entdeckt. Aber jetzt, da die Vermutung im Raum steht, können wir die vorhandenen Daten durchkämmen und künftige Experimente so abstimmen, dass sie auf die Suche nach ihnen gehen.
