Wissenschaftler könnten den Fingerabdruck der Dunklen Materie in einer Schwarzen-Loch-Kollision entdeckt haben

Ein Team aus dem MIT und mehreren europäischen Institutionen hat ein Verfahren entwickelt, um vorherzusagen, wie sich Gravitationswellen unterscheiden würden, wenn verschmelzende Schwarze Löcher durch Dunkle Materie statt durch leeren Raum reisen.

Das Team testete den Ansatz mit öffentlich zugänglichen Daten, die vom LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-Netzwerk gesammelt wurden – einem internationalen Verbund, der Gravitationswellen aus Schwarzen-Loch-Verschmelzungen und anderen fernen kosmischen Ereignissen nachweist.

Die Forscher analysierten Signale, die während der ersten drei Beobachtungsphasen des LVK aufgezeichnet wurden. 28 klarsten Ereignissen entsprachen 27 den Erwartungen für Schwarze Löcher, die im Vakuum verschmelzen. Ein Signal, bekannt als GW190728, schien möglicherweise Hinweise auf einen Dunkle-Materie-Effekt zu zeigen.

Was die Studie zeigt

Das Team betont jedoch, dass es sich hierbei nicht um einen Nachweis bietet die Methode einen neuen Weg, um in Gravitationswellendaten nach potenziellen Anzeichen zu suchen, die später durch weitere Studien getestet werden können. „Wir wissen, dass Dunkle Materie uns umgibt.

Sie muss lediglich dicht genug sein, damit wir ihre Effekte wahrnehmen können", sagt Josu Aurrekoetxea, Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Fachbereich Physik.

Schwarze Löcher bieten einen Mechanismus zur Erhöhung dieser Dichte, den wir nun durch die Analyse der bei ihrer Verschmelzung emittierten Gravitationswellen untersuchen können. Aurrekoetxea und seine Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse in Physical Review Letters.

Technik und Auswirkungen

Die Studie umfasste zudem Soumen Roy é Catholique de Louvain (UCLouvain) in Belgien, Rodrigo Vicente ät Amsterdam, Katy Clough of London und Pedro Ferreira ät Oxford. Warum Dunkle Materie so schwer zu erfassen ist. Dunkle Materie bleibt eine der größten Rätsel der Physik.

Im Gegensatz zu gewöhnlicher Materie wechselwirkt sie nicht mit Licht oder anderen Formen elektromagnetischer Energie und ist damit effektiv unsichtbar. Wissenschaftler können ihre Existenz nur über Gravitation erschließen.

Astronomen vermuteten Dunkle Materie erstmals bei der Untersuchung, wie Gravitation Licht um Galaxien herum krümmt – ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Die sichtbare Materie in Galaxien allein kann diese Verzerrungen nicht erklären, was dazu führt, dass Forscher zu dem Schluss kommen, dass auch eine unsichtbare Form.

Aktuelle Schätzungen deuten darauf hin,

Aktuelle Schätzungen deuten darauf hin, dass Dunkle Materie mehr als 85 Prozent aller Materie im Universum ausmachen könnte. Eine führende Theorie besagt, dass Dunkle Materie aus extrem leichten Teilchen, sogenannten „light scalar"-Teilchen, bestehen könnte.

In der Nähe Löchern könnten diese Teilchen sich nicht nur wie Materie, sondern auch wie Wellen verhalten. Wissenschaftler sagen voraus, dass diese Wellen, wenn sie auf ein schnell rotierendes Schwarzes Loch treffen, dazu führen können, dass das Schwarze Loch einen Teil seiner Rotationsenergie auf die Dunkle Materie überträgt.

Dieser Prozess, der als Superradianz bekannt ist, könnte die Dichte der Dunklen Materie in der Umgebung des Schwarzen Lochs drastisch erhöhen. Bei hinreichend hohen Dichten könnte diese Dunkle Materie nachweisbare Signaturen in den Gravitationswellen hinterlassen, die entstehen, wenn Schwarze Löcher verschmelzen.

Simulation: Wie würde genau dieser Abdruck

Simulation: Wie würde genau dieser Abdruck aussehen? Und könnte ein solcher Abdruck in Gravitationswellen nachweisbar sein, die auf der Erde eintreffen, Löchern, die vor vielen Millionen Lichtjahren verschmolzen sind?

Um diese Fragen zu beantworten, entwickelten Aurrekoetxea und seine Kollegen ein Modell, um die Gravitationswellenform – also das Muster der Gravitationswellen, die zwei Schwarze Löcher erzeugen würden – vorherzusagen, wenn sie in einer Umgebung aus Dunkler Materie kollidieren, im Vergleich zu einem Vakuum (leerer Raum ohne Dunkle Materie).

Für ihre neue Studie führten das Team detaillierte numerische Simulationen durch, um die Gravitationswelle vorherzusagen, die bei unterschiedlichen Eigenschaften eines kollidierenden Paares Löchern entstehen würde – ein System, das als „Schwarzes-Loch-Doppelstern" bezeichnet wird.

Sie untersuchten Schwarze-Loch-Doppelsterne in einer Vielzahl,

Sie untersuchten Schwarze-Loch-Doppelsterne in einer Vielzahl, beispielsweise durch Variation der Größe und Masse jedes Schwarzen Lochs, der Umgebung aus Dunkler Materie, die die Schwarzen Löcher durchqueren könnten, sowie der Dichte der Dunklen Materie, die die Schwarzen Löcher durch ihre Rotation aufbauen würden.

Sie entwickelten ein Modell, um vorherzusagen, wie sich eine Gravitationswelle ärsystem ausnehmen würde, wenn sie eine Signatur dunkler Materie trägt, und darüber hinaus, wie diese Welle aussehen würde, wenn sie eine bestimmte Strecke durch Raum und Zeit zurücklegt, um schließlich einen Detektor auf der Erde zu erreichen.

Mit ihrem Modell prüften sie, ob bereits auf der Erde nachgewiesene Gravitationswellensignale mit den vorhergesagten Mustern dunkler-Materie-Imprinte übereinstimmen. Dazu wandten sie das Modell auf öffentlich zugängliche Daten an, die vom LVK während der ersten drei Beobachtungsläufe der Observatorien aufgezeichnet wurden.

Was die Studie zeigt

In diesem Zeitraum haben die Observatorien Hunderte. Für ihre Zwecke konzentrierten sich die Forscher auf die klarsten Signale, die aus Gravitationswellen von 28 einzelnen Ereignissen stammen.

Für jedes Ereignis verglich das Team das Muster des tatsächlichen Gravitationswellensignals mit ihrem Modell dessen, wie das Signal aussehen würde, wenn es durch dasselbe Ereignis in einer Umgebung aus Dunkler Materie erzeugt worden wäre.

Zudem verglichen sie das Gravitationswellensignal mit dem erwarteteren Szenario, bei dem das Signal im Vakuum entstanden ist. Ein Signal sticht hervor 28 klarsten Signalen, die sie analysierten, lagen 27 fest innerhalb der Vorhersagen für eine Entstehung im Vakuum.

Technik und Auswirkungen

Das Muster jedoch eines Ereignisses, GW190728, zeigte eine „Präferenz" bzw. eine Übereinstimmung mit dem Dunkle-Materie-Modell des Teams. Mit anderen Worten könnte das Signal einen Abdruck der Dunklen Materie tragen. GW190728 ist eine Gravitationswelle, die nach dem Datum ihrer Detektion benannt ist – am 28. Juli 2019.

Wissenschaftler hatten zuvor festgestellt, dass die Gravitationswelle ärstern mit einer Gesamtmasse 20 Sonnenmassen stammt.

Mit ihrem Modell zeigten die Forscher, dass ein solches System durch eine dichte Wolke aus Dunkler Materie kollabiert und eine ähnliche Gravitationswelle wie GW190728 erzeugt haben könnte. „Die statistische Signifikanz hierfür ist noch nicht hoch genug, um sprechen zu können; weitere Untersuchungen sollten ängigen Gruppen durchgeführt werden", sagt Aurrekoetxea. „Was wir als besonders wichtig hervorheben möchten, ist, dass ohne Wellenformmodelle wie unseres möglicherweise Schwarze-Loch-Verschmelzungen in Umgebungen mit Dunkler Materie entdeckt würden, die jedoch systematisch als im Vakuum stattgefunden eingestuft werden könnten." „Wir haben nun das Potenzial, Dunkle Materie um Schwarze Löcher herum zu entdecken, während die Detektoren der LVK in den kommenden Jahren weiterhin Daten sammeln", sagt Mitautor Soumen Roy, der die Datenanalyse des Projekts leitete. „Es ist eine aufregende Zeit, um mit Hilfe zu suchen." „Die Nutzung Schwarzer Löcher zur Suche nach Dunkler Materie wäre fantastisch", fügt Mitautor Rodrigo Vicente hinzu, der das analytische Modell des Signals entwickelt hat. „Wir werden Dunkle Materie auf Skalen untersuchen können, die viel kleiner sind als je zuvor." Quelle: „Skalarfelder um Schwarze-Loch-Doppelsterne in LIGO-Virgo-KAGRA", Rodrigo Vicente, Josu C.

Aurrekoetxea, Katy Clough und Pedro G. Ferreira, 12. Mai 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/fv9z-zkxx Diese Arbeit wurde teilweise durch die US-National Science Foundation und das MIT Center for Theoretical Physics – ein Leinweber-Institut – unterstützt.