Eine Illustration zeigt einen sich schnell drehenden Neutronenstern, der von seinem blauen Magnetfeld umgeben ist und Radiowellenstrahlen ausstößt.(Bildnachweis: NASA Goddard/Walt Feimer)
Wissenschaftler planen, mit Hilfe von „Uhren“ toter Sterne das Geheimnis des Universums zu erhellen: die dunkle Energie.
Diese Zeitmesser sind eigentlich Pulsare oder sich schnell drehende Neutronensterne, die entstehen, wenn Sterne sterben, die mindestens achtmal so massiv sind wie die Sonne. Die extremen Bedingungen von Neutronensternen machen sie zu idealen Laboratorien für die Untersuchung der Physik in Umgebungen, die nirgendwo sonst im Universum zu finden sind.
Sogenannte „Millisekunden-Pulsare“ können sich Hunderte Male pro Sekunde drehen und von ihren Polen aus Strahlen elektromagnetischer Strahlung aussenden, die wie kosmische Leuchttürme den Weltraum durchziehen. Sie haben ihren Namen erhalten, weil diese Neutronensterne bei ihrer ersten Entdeckung zu pulsieren schienen und ihre Helligkeit zunahm, wenn ihre Strahlen direkt auf die Erde gerichtet waren.
Das ultrapräzise Timing der Helligkeitsschwankungen von Millisekunden-Pulsaren bedeutet, dass sie gemeinsam als kosmische Zeitmesser in „Pulsar-Timing-Arrays“ verwendet werden können. Diese Arrays sind so präzise, dass sie Gravitationsstörungen in der Struktur von Raum und Zeit messen können, die zu einer vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“ vereint sind, was der ideale Weg zur Jagd nach dunkler Materie sein könnte.
„Die Wissenschaft hat sehr präzise Methoden entwickelt, um die Zeit zu messen“, sagte der Forscher John LoSecco von der University of Notre Dame in einer Erklärung. „Auf der Erde haben wir Atomuhren, und im Weltraum haben wir Pulsare“.
Inhaltsübersicht
Das Rätsel um die dunkle Materie ist gelöst
Die dunkle Materie ist deshalb so rätselhaft, weil sie weder mit Licht noch mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung tritt – oder, wenn doch, dann nur sehr schwach und wir können sie nicht nachweisen. „Gewöhnliche Materie“ besteht aus Atomen, die sich aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammensetzen und mit Licht und Materie interagieren, daher wissen die Wissenschaftler, dass dunkle Materie aus anderen Teilchen bestehen muss.
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Obwohl die dunkle Materie nicht mit dem Licht wechselwirkt, übt sie einen Gravitationseinfluss aus, auf den man schließen kann, wenn dieser Einfluss auf das Licht und die gewöhnliche Materie wirkt. Die Wirkung dieses Gravitationseinflusses auf das Licht wollten LoSecco und Kollegen mit Hilfe von Pulsaren ausnutzen.
Künstlerische Interpretation einer Reihe von Pulsaren, die von Gravitationswellen beeinflusst werden, die von einem supermassereichen schwarzen Doppelloch in einer fernen Galaxie erzeugt werden. (Bildnachweis: Aurore Simonnet/NANOGrav)
Nach Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie krümmen Objekte mit Masse das Gewebe der Raumzeit, und die Schwerkraft entsteht durch diese Krümmung. Wenn Licht diese Krümmung passiert, wird auch seine Bahn abgelenkt. Dadurch kann sich die Ausbreitungszeit des Lichts ändern, so dass das Licht von demselben weit entfernten Körper zu unterschiedlichen Zeiten auf der Erde ankommt, was es theoretisch „verlangsamt“ (die Geschwindigkeit des Lichts ändert sich nicht wirklich, sondern nur die Entfernung, die es zurücklegt).
Dunkle Materie hat Masse, und daher können Konzentrationen dieser mysteriösen Materieform auch die Raumzeit verzerren. So wird der Weg des Lichts von weit entfernten Objekten gekrümmt, und seine Ankunftszeit verzögert sich, wenn es Konzentrationen dunkler Materie passiert. Dieser Effekt wird als „Gravitationslinse“ bezeichnet, wobei der dazwischen liegende Körper, der den Weg des Lichts verändert, als „Gravitationslinse“ bezeichnet wird.
Ein Diagramm, das die durch dunkle Materie verursachte Gravitationslinsenbildung zeigt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
LoSecco und Kollegen untersuchten Daten von 65 Pulsaren, die im Parkes Pulsar Timing Array gesammelt wurden. Sie beobachteten etwa 12 Vorfälle, die auf Schwankungen und Verzögerungen bei den Zeitangaben der Pulsare hinwiesen, die normalerweise auf Nanosekunden genau sind.
Dies deutet darauf hin, dass die Radiowellenstrahlen dieser kosmischen Leuchttürme mit totem Stern um eine Verwerfung im Raum herumlaufen, die durch eine unsichtbare Massenkonzentration irgendwo zwischen dem Pulsar und dem Teleskop verursacht wird. Das Team stellt die Theorie auf, dass diese unsichtbaren Massen Kandidaten für „Klumpen“ dunkler Materie sind.
„Wir machen uns die Tatsache zunutze, dass sich die Erde bewegt, die Sonne bewegt sich, der Pulsar bewegt sich, und sogar die dunkle Materie bewegt sich“, sagte LoSecco. „Wir beobachten die Abweichungen in der Ankunftszeit, die durch die Abstandsänderung zwischen der Masse, die wir beobachten, und der Sichtlinie zu unserem ‚Uhr‘-Pulsar verursacht werden.“
Die vom Team beobachteten Abweichungen sind absolut winzig. Zur Veranschaulichung: Ein Körper mit der Masse der Sonne würde eine Verzögerung der Radiowellen des Pulsars von etwa 10 Mikrosekunden verursachen. Die vorgeschlagenen Verzögerungsabweichungen der dunklen Materie, die das Team beobachtet hat, sind 10.000 Mal kleiner als das.
„Einer der Befunde deutet auf eine Verzerrung von etwa 20 % der Sonnenmasse hin“, sagte Professor LoSecco. „Dieses Objekt könnte ein Kandidat für dunkle Materie sein“.
Ein Nebeneffekt der Forschungsarbeit des Teams ist die Verbesserung der Genauigkeit der Daten des Parkes Pulsar Timing Array, die gesammelt werden, um nach Beweisen für niederfrequente Gravitationsstrahlung zu suchen.
Die Identifizierung und Entfernung dieses Rauschens wird den Wissenschaftlern helfen, diese Daten besser für die Suche nach niederfrequenten Wellen in der Raumzeit, den so genannten Gravitationswellen, zu nutzen. Auf diese Weise könnte die Gravitationsstrahlung von weiter entfernten und damit früheren Verschmelzungen von Schwarzen Löchern nachgewiesen werden – und vielleicht sogar Gravitationswellen aus der Urzeit, die vom Urknall übrig geblieben sind.
„Die wahre Natur der dunklen Materie ist ein Rätsel“, sagte LoSecco. „Diese Forschung wirft ein neues Licht auf die Natur der dunklen Materie und ihre Verteilung in der Milchstraße und kann auch die Genauigkeit der Präzisionspulsardaten verbessern.“
Die Ergebnisse des Teams wurden am Montag (15. Juli) auf dem National Astronomy Meeting (NAM) 2024 an der University of Hull vorgestellt.
