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Wissenschaftler planen, die „Uhren“ toter Sterne zu nutzen, um die mysteriöseste Materie im Universum zu beleuchten: dunkle Energie.
Diese Zeitmesser sind eigentlich Pulsare, schnell rotierende Neutronensterne, die entstehen, wenn Sterne sterben, die mindestens achtmal massereicher als die Sonne sind. Die extremen Bedingungen von Neutronensternen machen sie zu idealen Laboratorien für das Studium der Physik in Umgebungen, die es sonst nirgendwo im Universum gibt.
„Millisekundenpulsare“ können sich hunderte Male pro Sekunde drehen und von ihren Polen Strahlen elektromagnetischer Strahlung aussenden, die wie kosmische Leuchtfeuer durch den Weltraum fegen. Sie erhielten ihren Namen, weil diese Neutronensterne bei ihrer ersten Entdeckung zu pulsieren schienen und an Helligkeit zunahmen, wenn ihre Strahlen direkt auf die Erde gerichtet waren.
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Die Präzision der Messung von Helligkeitsschwankungen von Millisekundenpulsaren ermöglicht deren gemeinsame Nutzung als kosmische Uhren in „Pulsarmessnetzwerken“. Diese Netzwerke sind so präzise, dass sie Gravitationsstörungen in der Struktur von Raum und Zeit messen können, vereint in einer vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“, was der ideale Weg sein könnte, dunkle Materie zu verfolgen.
„Die Wissenschaft hat sehr präzise Methoden zur Zeitmessung entwickelt“, sagte John LoSecco, ein Pulsar-Timing-Forscher an der University of Notre Dame, in einer Erklärung. „Auf der Erde haben wir Atomuhren und im Weltraum haben wir Pulsare. »
Dem Geheimnis der Dunklen Materie ein Ende setzen
Dunkle Materie ist so mysteriös, weil sie nicht mit Licht oder gewöhnlicher Materie interagiert – oder, wenn doch, dann sehr schwach und wir sie nicht entdecken können. „Gewöhnliche Materie“ besteht aus Atomen, die aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen, die mit Licht und Materie interagieren. Daher wissen Wissenschaftler, dass dunkle Materie aus anderen Teilchen bestehen muss.
Obwohl dunkle Materie nicht mit Licht interagiert, übt sie einen gravitativen Einfluss aus, und auf ihre Anwesenheit kann geschlossen werden, wenn dieser Einfluss Licht und sogar gewöhnliche Materie beeinflusst. Es ist der Effekt dieses Gravitationseinflusses auf das Licht, den LoSecco und seine Kollegen mithilfe von Pulsaren ausnutzen wollten.
Nach Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie krümmen Objekte mit Masse die Struktur der Raumzeit selbst, und aus dieser Krümmung entsteht die Schwerkraft. Wenn das Licht diese Krümmung überschreitet, wird auch seine Flugbahn abgelenkt. Dadurch kann sich die Laufzeit des Lichts ändern, was dazu führt, dass Licht von demselben entfernten Körper zu unterschiedlichen Zeiten auf der Erde ankommt, was es theoretisch „verlangsamt“ (die Lichtgeschwindigkeit ändert sich tatsächlich nicht; es ist die zurückgelegte Entfernung, die sich ändert). .
Dunkle Materie hat Masse und daher können Konzentrationen dieser mysteriösen Materieform auch die Raumzeit verzerren. Daher ist der Weg des Lichts von entfernten Objekten gekrümmt und seine Ankunftszeit verzögert sich, wenn es Konzentrationen dunkler Materie passiert. Dieser Effekt wird „Gravitationslinseneffekt“ genannt, wobei der Zwischenkörper den Weg des Lichts verändert, was „Gravitationslinseneffekt“ genannt wird.
LoSecco und seine Kollegen untersuchten Daten, die von 65 Pulsaren im Parkes Pulsar Timing Array gesammelt wurden. Sie beobachteten etwa 12 Vorfälle, die auf Schwankungen und Verzögerungen in den Pulsar-Timing-Zeiten hindeuteten, die typischerweise eine Genauigkeit im Nanosekundenbereich haben.
Dies deutet darauf hin, dass die Radiowellenstrahlen dieser kosmischen Leuchtfeuer toter Sterne eine Verzerrung im Raum umgehen, die durch eine unsichtbare Massenkonzentration irgendwo zwischen dem Pulsar und dem Teleskop verursacht wird. Das Team vermutet, dass diese unsichtbaren Massen Kandidaten für „Klumpen“ dunkler Materie sind.
„Wir machen uns die Tatsache zunutze, dass sich die Erde, die Sonne, der Pulsar und sogar die Dunkle Materie bewegen“, erklärte LoSecco. „Wir beobachten Abweichungen in der Ankunftszeit, die durch die Änderung des Abstands zwischen der von uns beobachteten Masse und der Sichtlinie unseres „Uhr“-Pulsars verursacht werden. »
Die vom Team beobachteten Unterschiede sind absolut winzig. Beispielsweise würde ein Körper mit der Masse der Sonne eine Verzögerung der Radiowellen von Pulsaren um etwa 10 Mikrosekunden verursachen. Die vom Team beobachteten Verzögerungslücken in der Dunklen Materie sind 10.000-mal kleiner.
„Eines der Ergebnisse deutet auf eine Verzerrung von etwa 20 % der Sonnenmasse hin“, sagte Professor LoSecco. „Dieses Objekt könnte ein Kandidat für Dunkle Materie sein. »
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Ein Nebeneffekt der Forschung des Teams ist eine verbesserte Genauigkeit der Daten des Parkes Pulsar Timing Array, die gesammelt werden, um nach Beweisen für niederfrequente Gravitationsstrahlung zu suchen.
Konglomerate aus dunkler Materie können diesen Daten Störungen oder „Rauschen“ hinzufügen. Die Identifizierung und Entfernung dieses Rauschens wird Wissenschaftlern helfen, diesen Probensatz bei ihrer Suche nach niederfrequenten Wellen in der Raumzeit, sogenannten Gravitationswellen, besser zu nutzen. Dies könnte es ermöglichen, Gravitationsstrahlung von weiter entfernten und daher älteren Verschmelzungen Schwarzer Löcher zu erkennen – und vielleicht sogar urtümliche Gravitationswellen im Hintergrund, die vom Urknall stammen.
„Die wahre Natur der Dunklen Materie ist ein Rätsel“, sagte LoSecco. „Diese Forschung wirft neues Licht auf die Natur der Dunklen Materie und ihre Verteilung in der Milchstraße und könnte auch die Genauigkeit der Pulsar-Präzisionsdaten verbessern.“ »
Die Ergebnisse des Teams wurden am Montag (15. Juli) beim National Astronomy Meeting (NAM) 2024 an der University of Hull vorgestellt.