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Astrophysiker setzen Einschränkungen für kompakte dunkle Materie durch Gravitationswellen-Mikrolinsen

Astrophysiker setzen Einschränkungen für kompakte dunkle Materie durch Gravitationswellen-Mikrolinsen
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Die Existenz dunkler Materie bleibt eines der größten Rätsel des Universums. Während Studien indirekt auf seine Existenz hingewiesen haben, ist diese schwer fassbare Substanz aufgrund ihrer unsichtbaren Natur sehr schwer zu entdecken, sodass ihre Zusammensetzung unbekannt bleibt.

Dunkle Materie könnte aus fundamentalen und exotischen Teilchen bestehen, die noch entdeckt werden müssen. Alternativ könnte es aus vielen massiven und kompakten Objekten bestehen, wie zum Beispiel primordialen  (dh Schwarzen Löchern, die im frühen Universum entstanden sind).

In den letzten Jahrzehnten haben viele Wissenschaftlerteams weltweit mit einer Vielzahl von Techniken, Teleskopen, Detektoren und Beobachtungsdaten nach dunkler Materie gesucht. Obwohl die meisten dieser Suchen erfolglos blieben, halfen sie, nachfolgende Suchen zu leiten und einzugrenzen.

Forscher des International Centre for Theoretical Studies des Tata Institute of Fundamental Research in Bangalore, Indien, haben kürzlich neue Grenzwerte für den Anteil kompakter dunkler Materie aus Gravitationswellen-Mikrolinsen festgelegt. Ihre in The Astrophysical Journal Letters veröffentlichte Arbeit stellt eine neue Methode vor, um die Natur der Dunklen Materie zu untersuchen, indem sie nach Mikrolinseneffekten in  suchen .

„Laut Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beugen massive Objekte Licht wie normale optische Linsen“, sagte Parameswaran Ajith, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Massive Objekte wie Schwarze Löcher, die zwischen der astronomischen Quelle und dem Beobachter liegen, können die Quelle vergrößern. Dieses Phänomen, das als  bezeichnet wird, hat sich zu einem mächtigen Werkzeug für Astronomen entwickelt.“

Trotz umfangreicher Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet konnten Astronomen die von Schwarzen Löchern erzeugten Mikrolinseneffekte bisher nicht beobachten. Dies deutet darauf hin, dass Schwarze Löcher, die viel leichter als die Sonne sind und die Mikrolinsen des Lichts erzeugen würden, selten sind.

„Selbst wenn diese Schwarzen Löcher existieren, machen sie wahrscheinlich nur einen sehr kleinen Teil der Dunklen Materie aus“, sagte Ajith. „Die Theorie sagt voraus, dass auch Gravitationswellen auf die gleiche Weise gebündelt werden. Wenn  , die viel massereicher als die Sonne sind, im Universum reichlich vorhanden sind, werden sie die Gravitationswellen verzerren.“

Astrophysiker setzen Einschränkungen für kompakte dunkle Materie durch Gravitationswellen-Mikrolinsen
Durch diese Studie erhaltene Obergrenzen für den Anteil an Dunkler Materie in Form kompakter Objekte. Die Masse des Schwarzen Lochs ist auf der horizontalen Achse dargestellt. Drei verschiedene Ausschlussregionen entsprechen drei angenommenen Modellen der Verteilung binärer Schwarzer Löcher im Universum. Die gestrichelten Linien zeigen einige der bestehenden Einschränkungen durch die Mikrolinsenbildung von Supernovae (SN) und durch die Stabilität von Wide Binaries (WB). Kredit: The Astrophysical Journal Letters (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac4dfa

Im Jahr 2003 haben einige theoretische Physiker die Natur von Gravitationswellenverzerrungen genau berechnet. Fast zwei Jahrzehnte später schlugen Sunghoon Jung und Chang Sub Shin, zwei Wissenschaftler an der Seoul National University und dem IBS Center for Theoretical Physics of the Universe, vor, dass die Nichtbeobachtung dieser Verzerrungen durch die LIGO- und Virgo-Kollaborationen dazu beitragen könnte, die Fülle von zu begrenzen Schwarze Löcher, die deutlich massereicher sind als die Sonne.

Das jüngste Papier von Ajith und seinen Kollegen lässt sich von diesen früheren Arbeiten inspirieren. Die Arbeit des Teams basiert auf der Annahme, dass, wenn ein erheblicher Teil der Dunklen Materie tatsächlich aus kompakten Objekten bestehen würde, diese Objekte Mikrolinseneffekte in den Gravitationswellensignalen verursachen würden, die periodisch von den LIGO- und Virgo-Detektoren erfasst werden.

„Im Jahr 2018 hatten wir in Zusammenarbeit mit Kollegen der LIGO-Virgo-Kollaboration nach Signaturen solcher Verzerrungen in den von LIGO und Virgo beobachteten Gravitationswellensignalen gesucht und keine gefunden“, sagte Ajith. „Da LIGO und Virgo bis dahin jedoch nur 10 Gravitationswellensignale beobachtet hatten, war unsere vorherige Erwartung, solche Verzerrungen zu finden, gering.“

Kürzlich gab die LIGO-Virgo-Kollaboration ähnliche Nullergebnisse aus ihrem dritten Beobachtungslauf bekannt. „Darüber hinaus analysierten Ajith und seine Kollegen unabhängig voneinander die Gravitationswellen, die eine Gruppe am Institute for Advanced Studies (IAS) in Princeton innerhalb der LIGO-Virgo-Daten entdeckt hatte. Insgesamt analysierten sie damit mehr als 50 Gravitationswellenereignisse.

Während die Forscher in keinem der von ihnen analysierten Signale Mikrolinsenverzerrungen beobachten konnten, ermöglichten ihnen ihre Analysen, weitere Einschränkungen für kompakte dunkle Materie festzulegen. Mit anderen Worten, sie beschränkten den Anteil der Dunklen Materie, der aus massiven Schwarzen Löchern besteht.

„Die Einschränkungen, die wir bisher erhalten haben, sind ziemlich bescheiden“, sagte Ajith. „Alles, was wir sagen können, ist, dass nicht mehr als 50 % der Dunklen Materie in Form von massiven Schwarzen Löchern vorliegt, was keine neuen Informationen sind. Es wird jedoch erwartet, dass LIGO und Virgo in den nächsten Jahren Hunderte bis Tausende von ihnen beobachten werden Gravitationswellensignale. Diese Beobachtungen werden es uns ermöglichen, diese Einschränkungen erheblich zu verbessern.“

In Zukunft planen Ajith und seine Kollegen, alle neuen Gravitationswellenereignisse zu analysieren, die von den LIGO-Virgo-Detektoren aufgezeichnet wurden. Darüber hinaus hoffen sie, dass ihre jüngste Arbeit andere Teams ermutigen wird, die  von Gravitationswellen zu nutzen, um die Natur der  zu untersuchen .

„Als Teil der LIGO-Virgo-Kollaboration analysieren wir alle Gravitationswellensignale, die von LIGO und Virgo während ihrer letzten drei Beobachtungsläufe (insgesamt fast 100 Ereignisse) entdeckt wurden“, fügte Ajith hinzu. „Dies wird die Einschränkung ein wenig verbessern. Wir freuen uns jedoch darauf, die Daten des nächsten Beobachtungslaufs zu analysieren, bei dem LIGO und Virgo voraussichtlich Hunderte von Gravitationswellensignalen beobachten werden!“

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