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Zwei supermassereiche schwarze Löcher vor einem Netz aus dunkler Materie, das sie zusammenhält (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Dunkle Materie, der geheimnisvollste „Stoff“ im Universum, könnte eine Art kosmischer Kuppler sein, der es supermassiven schwarzen Löchern ermöglicht, eine letzte Hürde zu überwinden, bevor sie kollidieren und zu einem verschmelzen.

Astronomen wissen schon seit einiger Zeit, dass sich die supermassiven schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien zusammenziehen, wenn diese zusammenstoßen und größere, unförmige Galaxien entstehen. Schließlich verschmelzen auch diese schwarzen Löcher, wodurch ein noch monströseres supermassives schwarzes Loch und ein hoher „Schrei“ von Wellen in der Struktur von Raum und Zeit entstehen, die Gravitationswellen genannt werden.

Die Entdeckung von Gravitationswellen hat uns zwar Beweise für diesen Kollisionsprozess geliefert und ist in der Tat von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis, wie supermassereiche Schwarze Löcher eine Masse erreichen, die Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entspricht, aber es gibt ein bleibendes Problem.

Astrophysiker haben gute Modelle für die späteren Phasen der Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher, aber die Wissenschaftler verstehen immer noch nicht ganz, wie diese kosmischen Titanen die letzten etwa 3,3 Lichtjahre (auch als „Parsec“ bekannt) zwischen ihnen überbrücken, um den Verschmelzungsprozess auszulösen. Dieses Problem ist als „finales Parsec-Problem“ bekannt geworden.

Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass die Lösung im dunklen Universum liegen könnte.

Dunkle Materie könnte supermassereichen schwarzen Löchern helfen, „das Eis zu brechen“ und den Kopplungsprozess einzuleiten – aber es gibt einen Haken (gibt es den nicht immer?). Diese Theorie funktioniert nur, wenn dunkle Materieteilchen miteinander wechselwirken.

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„Der Prozess, bei dem supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen, ist komplex, weil er darauf beruht, dass die Schwarzen Löcher einander finden, ein Doppelsternsystem bilden und dann der Bahnabstand zwischen ihnen langsam abnimmt“, sagte der Leiter des Forschungsteams, Gonzalo Alonso-Álvarez von der University of Toronto, gegenüber kosmischeweiten.de. „Wenn der Abstand zwischen den beiden Schwarzen Löchern etwa ein Parsec beträgt, waren die Wissenschaftler besorgt, weil es aufgrund der bisherigen Berechnungen so aussah, als würde die Verschmelzung ins Stocken geraten.

„Wir vermuten, dass das Vorhandensein von dunkler Materie, von der man annimmt, dass sie im Zentrum der Galaxien sehr dicht ist, einen bedeutenden Effekt haben und die Verschmelzung dieser schwarzen Löcher unterstützen kann.“

Alonso-Álvarez erklärt, dass das Spannende an dieser Erkenntnis, die auf mathematischen Modellen beruht, darin besteht, dass sie auf Selbstwechselwirkungen der dunklen Materie beruht. Genauer gesagt, müssen sich die Teilchen der dunklen Materie bei einer Kollision gegenseitig zerstreuen, um zwischen den schwarzen Löchern zu „vermitteln“.

Aus diesem Grund könnte diese Theorie nicht nur das Problem des letzten Parsec lösen, sondern auch endlich enthüllen, woraus die dunkle Materie besteht, und damit eines der grundlegendsten Rätsel der Wissenschaft lüften.

A Ablenkung durch dunkle Materie

Vor der Erörterung der Rolle, die die dunkle Materie bei der Verschmelzung von schwarzen Löchern spielen könnte, lohnt sich ein kleiner Abstecher, um zu erklären, warum diese mysteriöse kosmische Substanz für die Wissenschaftler ein so beunruhigendes Problem darstellt.

Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht – oder wenn doch, dann ist die Wechselwirkung so schwach, dass wir sie nicht nachweisen können. Das macht sie praktisch unsichtbar. Und da Elektronen, Protonen und Neutronen – die Teilchen, aus denen die Atome der gewöhnlichen Materie bestehen – mit Licht wechselwirken, wissen die Wissenschaftler, dass dunkle Materie nicht aus diesen Teilchen bestehen kann.

Dies hat eine massive Suche nach Teilchen außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik ausgelöst.

Aber das ist noch nicht das ganze Ausmaß des Problems der dunklen Materie. Nicht nur, dass diese Substanz möglicherweise aus Teilchen besteht, die nicht in das beste Modell der subatomaren Welt passen, das wir haben, sondern sie dominieren auch absolut die „alltäglichen“ Materieteilchen in Bezug auf ihre Masse.

Ein Tortendiagramm, das zeigt, dass die dunkle Materie die „normale“ Materie im Universum überwiegt, aus der alles besteht, was wir um uns herum sehen (sogar die Katze von nebenan) (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Die Teilchen der dunklen Materie „überwiegen“ die gewöhnlichen Teilchen in einem Verhältnis von 5 zu 1 bis 6 zu 1. Das bedeutet, dass all das „Zeug“, das Sie um sich herum sehen – Sterne, Planeten, Monde, riesige Gaswolken im Weltraum, andere Menschen, Ihr Kaffeetisch, Ihr Monitor, Ihre Maus und sogar die Katze von nebenan – nur 15 % der Masse im Kosmos ausmachen.

Damit bleibt eine Menge Zeug im Universum, das wir nicht erklären können.

Wir wissen, dass es dunkle Materie gibt, denn obwohl sie nicht mit Licht oder gewöhnlicher Materie interagiert, interagiert sie doch mit der Schwerkraft. Wenn sie das tut, können die von ihr verursachten Effekte das Verhalten von gewöhnlicher Materie und Licht beeinflussen. So haben Forscher beispielsweise herausgefunden, dass die Schwerkraft, die durch die Masse der Sterne, des Gases, der Planeten und der Monde in den Galaxien erzeugt wird, nicht ausreichen würde, um zu verhindern, dass die Galaxien auseinanderfliegen, wenn sie umherschwirren, wenn es nicht den Gravitationseinfluss der dunklen Materie gäbe.

Kosmischer Zunder

Alonso-Álvarez erklärte, dass sich die supermassereichen schwarzen Löcher bei der ersten Verschmelzung von Galaxien weit voneinander entfernt befinden. Schließlich beginnen sie ihre jeweilige Reise in Richtung des Zentrums der verschmelzenden Galaxien, das zum Ort ihrer eigenen Verschmelzung und zum Herzen einer neu entstehenden Konglomeratgalaxie wird.

Diese Reise wird durch den Energieverlust der schwarzen Löcher erleichtert und verläuft in drei verschiedenen Phasen.

In der „ersten Phase“ ziehen die schwarzen Löcher an einer Vielzahl von Sternen vorbei und treten mit diesen in eine Gravitationswechselwirkung. Aufgrund dieser Wechselwirkungen verlieren die schwarzen Löcher an Geschwindigkeit und werden langsamer. Dieser Geschwindigkeitsverlust ermöglicht es der Massenkonzentration im Zentrum der Verschmelzung, die schwarzen Löcher gravitativ so zu beeinflussen, dass sie sich (etwas gemächlich) aufeinander zu bewegen.

Dieser Energieverlust ist auch dann noch wichtig, wenn die letzten 3,3 Lichtjahre überbrückt sind und die supermassereichen Schwarzen Löcher ein Doppelsternsystem bilden, was die dritte Stufe dieses Prozesses darstellt. An diesem Punkt wirbeln die Löcher umeinander und erzeugen Gravitationswellen. Wenn sich diese Wellen vom Doppelsternsystem entfernen, nehmen sie Drehimpuls mit und verlieren dadurch kinetische Rotationsenergie.

Dieser sehr effiziente Energieverlust führt dazu, dass sich die beiden Schwarzen Löcher einander annähern und ihre Verschmelzung unaufhaltsam wird. Je enger ihre Bahnen werden, desto schneller werden die Gravitationswellen abgestrahlt. Wenn sich die supermassereichen schwarzen Löcher immer mehr annähern, wird ihr Gravitationseinfluss schließlich stärker und sie kollidieren.

Umlaufbahn weiter schrumpfen konnte.“

Das ist der Punkt, an dem die dunkle Materie ins Spiel kommen könnte.

Streu, dunkle Materie!

Nicht alle Modelle der dunklen Materie gehen davon aus, dass die Teilchen dieser geheimnisvollen Substanz sich gegenseitig zerstreuen können.

„Ohne die Streuung der dunklen Materie würde dieser Mechanismus einfach nicht funktionieren“, sagte Alonso-Álvarez. „Der Grund dafür ist, dass die Energie, die die schwarzen Löcher durch die Reibung verlieren, und die dunkle Materie dazu dienen, die Geschwindigkeit der Teilchen der dunklen Materie zu erhöhen. Wenn es keine Viskosität gäbe, würden die Teilchen der dunklen Materie von dieser letzten Parsec-Region weggelenkt werden.“

Das würde bedeuten, dass es in dieser zentralen Region nach kurzer Zeit keine dunkle Materie mehr gibt, die die notwendige Reibung erzeugen könnte.

„Wenn es jedoch Selbstwechselwirkungen der dunklen Materie gibt, wird diese Energie zwischen den Teilchen in der zentralen Region der Galaxie umverteilt, so dass die dunkle Materie nicht weggestreut wird“, fügte Alonso-Álvarez hinzu. „Das ist entscheidend.“

Die Wechselwirkung zwischen dunkler Materie und supermassiven schwarzen Löchern könnte auch Berechnungen von Halos aus dunkler Materie um Galaxien erklären, die Formen aufweisen, die durch Modelle der „kalten dunklen Materie“ nicht vollständig erklärt werden können. Diese Modelle für kalte dunkle Materie gehen davon aus, dass sich diese mysteriöse Materie langsam bewegt (daher „kalt“) und nicht selbst interagiert. Wenn die Matchmaker-Theorie der dunklen Materie von Alonso-Álvarez und Kollegen richtig ist, könnte es daher notwendig sein, von der kalten dunklen Materie abzurücken.

Ein zusammengesetztes Bild des Bullet Cluster, kollidierender Galaxien, die aufgrund ihrer Trennung von heißen Gasen (rosa) als einer der besten Beweise für dunkle Materie (blau) gelten. (Bildnachweis: X-ray: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Optische und Lensing-Karte: NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Linsenkarte: ESO/WFI)

Um die Wechselwirkung zwischen den Teilchen der dunklen Materie zu ermöglichen, muss es außerdem ein unbekanntes „Kraftträger“-Teilchen geben, und diese Forschung gab dem Team einige Hinweise auf die Natur dieses Teilchens. Ein kraftübertragendes Teilchen oder „Boson“ fungiert als Vermittler, der anderen Teilchen bei der Wechselwirkung hilft. Die elektromagnetische Kraft beispielsweise nutzt Photonen, also Lichtteilchen, als Kraftträger, während die Schwerkraft ein Boson namens Gluon nutzt.

„Wir waren anfangs sehr naiv und dachten, dass die Selbstwechselwirkungen der dunklen Materie nur dazu beitragen sollten, dieses letzte Parsec-Problem zu überbrücken, aber wir dachten nicht, dass wir in der Lage sein würden, vorherzusagen, welche Art von Selbstwechselwirkungen bevorzugt werden“, so Alonso-Álvarez weiter. „Während wir arbeiteten und unsere Berechnungen immer weiter verfeinerten, fanden wir heraus, dass ein ganz bestimmtes Modell, bei dem der Kraftträger eine Masse hat, die in der Größenordnung von 1 % der Masse des Dunkle-Materie-Teilchens liegt, wirklich bevorzugt wird und keine andere Sache, die wir ausprobierten, funktionierte.“

„Die Berechnungen, die wir für diese Arbeit durchgeführt haben, waren rein analytisch. Wir arbeiten derzeit an der Entwicklung von Simulationen, um diesen Mechanismus etwas besser zu verstehen“, sagte Alonso-Álvarez.

Der Physiker fügte hinzu, dass die Beobachtung dieser Theorie durch Sammlungen hochpräzise rotierender Neutronensterne, so genannte Pulsar-Timing-Arrays, die Wissenschaftler als genaue kosmische Zeitmesser verwenden, belegt werden könnte. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Untersuchung des „Hintergrundsummens“ des Kosmos, des so genannten „Gravitationswellenhintergrunds“, der von der Verschmelzung supermassereicher schwarzer Löcher im Laufe der Geschichte des Universums herrührt.

„Man kann die Auswirkungen der dunklen Materie und der Reibung auf dieses Signal untersuchen und eine Vorhersage darüber treffen, wie die Anwesenheit dunkler Materie das Signal verändert“, fügte Alonso-Álvarez hinzu. „Ich denke, das Interessanteste ist, dass man dies gleichzeitig mit den Beweisen für das Vorhandensein von Selbstwechselwirkungen der dunklen Materie auf galaktischen Skalen von vielen Tausend Parsecs in Beziehung setzen kann.“

Alonso-Álvarez und das Team diskutieren ihre Ergebnisse in einem Artikel, der am 9. Juli in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde.