In Februar 2016 , Wissenschaftler, die für die . arbeiten Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) schrieben Geschichte, als sie die erste Entdeckung von . ankündigten Gravitationswellen . Seitdem haben mehrere Entdeckungen stattgefunden und wissenschaftliche Kooperationen zwischen Observatorien – wie Advanced LIGO und Fortgeschrittene Jungfrau – ermöglichen ein beispielloses Maß an Sensibilität und Datenaustausch.
Dieses Ereignis bestätigte nicht nur eine jahrhundertealte Vorhersage von Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie , es führte auch zu einer Revolution in der Astronomie. Es schürte auch die Hoffnungen einiger Wissenschaftler, die glaubten, dass Schwarze Löcher für die „fehlende Masse“ des Universums verantwortlich sein könnten. Leider a neue Studie von einem Team von Physikern der UC Berkeley hat gezeigt, dass Schwarze Löcher nicht die lang gesuchte Quelle für Dunkle Materie .
Ihr Studium“ Grenzen von kompakten Objekten mit stellarer Masse als Dunkle Materie aus Gravitationslinsen von Typ-Ia-Supernovae “, erschien vor kurzem in derPhysische Überprüfungsschreiben. Die Studie wurde von Miguel Zumalacarregu geleitet, einem Marie Curie Global Fellow an der Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), mit Unterstützung von Uros Seljak – Professor für Kosmologie und Co-Direktor des BCCP.
Um es einfach auszudrücken: Dunkle Materie bleibt eines der schwer fassbaren und schwierigsten Geheimnisse, mit denen Astronomen heute konfrontiert sind. Obwohl es 84,5% der Materie im Universum ausmacht, sind alle Versuche, es zu entdecken, bisher gescheitert. Es wurden viele Kandidaten vorgeschlagen, von ultraleichten Teilchen (Axionen) bis hin zu Schwach wechselwirkende Massive Particles (WIMPS) und Massive Compact Halo Objects (MACHOs).
Die Masse dieser Kandidaten liegt jedoch in der Größenordnung von 90, was mehrere Theoretiker zu lösen versucht haben, indem sie vorschlugen, dass es mehrere Arten von Dunkler Materie geben könnte. Dies würde jedoch andere Erklärungen für ihre Entstehung erfordern, was kosmologische Modelle nur noch weiter verkomplizieren würde. Wie Miguel Zumalacárregui kürzlich in einer UC Berkeley . erklärte Pressemitteilung :
„Ich kann mir vorstellen, dass es zwei Arten von Schwarzen Löchern sind, sehr schwere und sehr leichte, oder Schwarze Löcher und neue Teilchen. Aber dann ist eine der Komponenten um Größenordnungen schwerer als die andere, und sie müssen in vergleichbarer Menge produziert werden. Wir würden von etwas Astrophysikalischem zu etwas wirklich Mikroskopischem übergehen, vielleicht sogar das leichteste Ding im Universum, und das wäre sehr schwer zu erklären.“
Für ihre Studie führte das Team eine statistische Analyse von 740 der hellsten entdeckten Supernovae (Stand 2014) durch, um festzustellen, ob eine von ihnen durch ein dazwischenliegendes Schwarzes Loch vergrößert oder aufgehellt wurde. Dieses Phänomen, bei dem die Gravitationskraft eines großen Objekts das Licht von weiter entfernten Objekten verstärkt, wird als „ Gravitationslinsen '.
Eine Supernova-Explosion eines massereichen Sterns erscheint einem Beobachter auf der Erde heller, wenn sich zwischen der Explosion und dem Beobachter ein Schwarzes Loch befindet. Bildnachweis: APS/Carin Cain Bild
Wenn Schwarze Löcher die vorherrschende Materieform im Universum wären, würden gravitativ vergrößerte Supernovae aufgrund ursprünglicher Schwarzer Löcher ziemlich häufig auftreten. Es wird angenommen, dass sich diese hypothetischen Formen von Schwarzen Löchern innerhalb der ersten Millisekunden nach dem Urknall in Teilen des Universums gebildet haben, wo die Masse auf Dutzende oder Hunderte von Sonnenmassen konzentriert war, was zur Bildung der frühesten Schwarzen Löcher führte.
Das Vorhandensein dieser Schwarzen-Loch-Population sowie aller massereichen kompakten Objekte würde das Licht von entfernten Objekten auf seinem Weg zur Erde gravitativ verbiegen und vergrößern. Dies gilt insbesondere für ferne Supernovae vom Typ Ia, die Astronomen seit Jahrzehnten als Standardhelligkeitsquelle zur Messung kosmischer Entfernungen und der Expansionsrate des Universums verwenden.
Nach einer komplexen statistischen Analyse der Daten zur Helligkeit und Entfernung von 740 Supernovae – 580 in der Union und 740 in den Katalogen der Joint Light-curve Analysis (JLA) – kam das Team jedoch zu dem Schluss, dass acht der Supernovae um a . heller sein sollten wenige Zehntelprozente über dem, was historisch beobachtet wurde. Eine solche Aufhellung wurde jedoch nicht festgestellt, selbst wenn massearme Schwarze Löcher berücksichtigt wurden.
„Man kann diesen Effekt bei einer Supernova nicht sehen, aber wenn man sie alle zusammenfasst und eine vollständige Bayessche Analyse durchführt, beginnt man, der Dunklen Materie sehr starke Beschränkungen aufzuerlegen, weil jede Supernova zählt und es so viele davon gibt“, sagte Zumalacárregui.
Einigen Theorien zufolge bildeten sich die frühesten (ursprünglichen) Schwarzen Löcher Millisekunden nach dem Urknall. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Aus ihrer Analyse kamen sie zu dem Schluss, dass Schwarze Löcher nicht mehr als etwa 40% der dunklen Materie im Universum ausmachen können. Nachdem 1.048 hellere Supernovas aus dem Pantheon-Katalog (und aus größeren Entfernungen) aufgenommen wurden, wurden die Einschränkungen noch enger. Mit diesem zweiten Datensatz erhielten sie eine noch niedrigere Obergrenze – 23% – als in ihrer ursprünglichen Analyse.
Diese Ergebnisse legen nahe, dass keine dunkle Materie des Universums aus schweren Schwarzen Löchern oder ähnlich massereichen Objekten wie MACHOs besteht. „Wir sind wieder bei den Standarddiskussionen“, sagte Seljak. „Was ist dunkle Materie? Tatsächlich gehen uns die guten Optionen aus. Dies ist eine Herausforderung für zukünftige Generationen.“
Diese Studie basierte auf früheren Forschungen, die Seljak Ende der 1990er Jahre durchgeführt hatte, als Wissenschaftler MACHOs und andere massereiche Objekte als mögliche Quelle für dunkle Materie betrachteten. Die Studie war jedoch dadurch eingeschränkt, dass zu diesem Zeitpunkt nur eine geringe Anzahl entfernter Supernovae vom Typ Ia entdeckt oder deren Entfernungen gemessen wurden.
Außerdem verlagerte sich die Suche nach Dunkler Materie kurz darauf von großen Objekten auf fundamentale Teilchen (wie WIMPs). Infolgedessen wurden Pläne für die untersuchten Folgeuntersuchungen nicht verwirklicht. Doch dank der LIGO-Beobachtungen von Gravitationswellen tauchte erneut der mögliche Zusammenhang zwischen Schwarzen Löchern und Dunkler Materie auf und inspirierte Seljak und Zumalacárregui zu ihrer Analyse.
Künstlerische Darstellung von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern, die als Quelle von Gravitationswellen gelten. Bildnachweis: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS
„Faszinierend war, dass die Massen der Schwarzen Löcher beim LIGO-Ereignis genau dort lagen, wo Schwarze Löcher noch nicht als Dunkle Materie ausgeschlossen wurden“, sagte Seljak. „Das war ein interessanter Zufall, der alle begeistert hat. Aber es war Zufall.“
Die Theorie der Dunklen Materie wurde in den 1970er Jahren, während des „Goldenen Zeitalters der Relativität“, offiziell angenommen, um die Diskrepanzen zwischen der scheinbaren Masse von Objekten im Universum und ihren beobachteten Gravitationseffekten zu erklären. Es scheint, dass wir ein halbes Jahrhundert später immer noch versuchen, diese mysteriöse, unsichtbare Masse aufzuspüren. Aber mit jeder Studie werden der Dunklen Materie zusätzliche Beschränkungen auferlegt und mögliche Kandidaten eliminiert.
Mit der Zeit könnten wir dieses kosmologische Geheimnis entschlüsseln und dem Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Universums einen Schritt näher kommen.
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