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Das schnelle Drehen von Schwarzen Löchern kann die Suche nach dunkler Materie verringern

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(Bildnachweis: Robin Dienel /Carnegie Institution for Science
Wir lernen ständig neue Dinge über das Universum, aber je mehr wir wissen, desto klarer wird, dass uns Teile des Puzzles fehlen. Die mögliche Existenz von Dunkle Materie ist eines der nervigsten fehlenden Teile, aber ein Team vom MIT glaubt, dass sich schnell drehende Schwarze Löcher die Suche nach diesen mysteriösen Partikeln einschränken könnten.

Die Materie, die wir im Universum sehen können, macht nur 15 Prozent von dem aus, was wir tun denken da draußen basiert auf der Expansionsrate. Diese fehlende Masse ist als dunkle Materie bekannt, und es gibt unzählige Ideen, was es ist und wie wir es finden könnten. Einer der beliebtesten Verdächtigen ist ein theoretisches Teilchen, das als ultraleichtes Boson bezeichnet wird. Wenn sie existieren würden, wären ultraleichte Bosonen so winzig, dass sie mit fast nichts anderem im Universum interagieren würden – außer vielleicht mit bestimmten Schwarzen Löchern.

Bildnachweis: Jose-Luis Olivares, MIT

Die Quantentheorie sagt voraus, dass sehr kleine Objekte wie das ultraleichte Boson nicht auf die gleiche Weise funktionieren wie größere, die der klassischen Physik gehorchen. Wir wissen nicht, wie klein das ultraleichte Boson ist, aber wie der Name schon sagt, ist es klein. Dies bedeutet, dass es eine sogenannte Compton-Wellenlänge haben sollte, die umgekehrt proportional zu seiner Masse ist. Daher hat ein ultraleichtes Boson eine extrem lange Wellenlänge, die bestimmte Schwarze Löcher überlappen kann. Dies würde dazu führen, dass sich die Partikel um das Schwarze Loch ansammeln und dessen Rotationsgeschwindigkeit verlangsamen. Wenn es keine Verzögerung gibt, wird dadurch der Massenbereich eingeschränkt, in dem das ultraleichte Boson existieren könnte.

Die Mannschaft aus dem LIGO-Labor des MIT ging auf die Suche nach legalen Schwarzen Löchern, um diese Hypothese zu testen. LIGO, das Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium, kann Gravitationswellen abhören, die sich von entfernten Quellen wie binären Schwarzen Löchern ausbreiten. Das Team untersuchte alle 45 von LIGO und dem zugehörigen Virgo-Projekt identifizierten Black-Hole-Binärdateien. Sie konzentrierten sich auf zwei, bekannt als GW190412 und GW190517.

LIGO2

Ein riesiger Zweig der Hälfte des LIGO-Experiments in Hanford, Washington.

Es wurde festgestellt, dass sich beide Objekte mit fast ihrer maximalen Geschwindigkeit drehen, was die etablierte Physik vorhersagen würde. Das bedeutet, dass das ultraleichte Boson nicht zwischen 1 × 10 ^ -13 und 2 × 10 ^ -11 Elektronenvolt existieren kann. Andernfalls würden sich ultraleichte Bosonen um die Schwarzen Löcher sammeln und etwa die Hälfte ihrer Rotationsenergie abführen. Keine langsamen schwarzen Löcher, keine ultraleichten Bosonen.

Dies bedeutet nicht, dass das ultraleichte Boson eine Fantasie ist. Es bedeutet nur, dass es in diesem Massenbereich nicht existiert. Frühere Experimente konnten das Teilchen in kleinen Teilen des Weltraums ausschließen, aber dies ist ein großer Teil, den Forscher möglicherweise auf ihrer Suche nach dunkler Materie mitnehmen können. Natürlich müssen andere Teams den Befund bestätigen. Diese Arbeit zeigt auch, dass Instrumente wie LIGO bei der Suche nach exotischen Partikeln hilfreich sein können.

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Lili Falk

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