Untersuchung des Einflusses ultraleichter dunkler Materie auf Gravitationswellensignale

Eine aktuelle Studie in Briefe zur körperlichen Untersuchung erforscht in Extreme Mass Ratio Inspirations (EMRI) die Auswirkungen ultraleichter dunkler Materie, die von zukünftigen weltraumgestützten Gravitationswellendetektoren wie LISA (Laser Interferometer Space Antenna) nachgewiesen werden könnten.

Angesichts der vielen vorgeschlagenen Formen dunkler Materie untersuchen Wissenschaftler verschiedene Ansätze zu ihrer Entdeckung.

Diese Studie konzentriert sich auf das Verständnis des Verhaltens ultraleichter dunkler Materie im Verhältnis zu Inspirationen mit extremen Massenverhältnissen (EMRI). Diese Systeme bestehen aus einem supermassiven Schwarzen Loch (SMBH), das mit einem kleineren astronomischen Körper verbunden ist, bei dem es sich um einen Stern oder ein anderes Schwarzes Loch handeln kann.

Gravitationswellen, die von diesen Systemen emittiert werden, wenn das kleinere Sternobjekt spiralförmig in das SMBH eindringt, könnten auf das Verhalten ultraleichter dunkler Materie in und um diese Systeme hinweisen.

Phys.org hat mit den Studienautoren gesprochen, um ihre Arbeit besser zu verstehen.

Über die Motivation des Teams hinter der Studie sagte Dr. Francisco Duque, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Erstautor der Studie: „Das Verständnis der grundlegenden Natur der Dunklen Materie ist eines der größten ungelösten Probleme in.“ moderne Physik.

„Wir wissen, dass es existieren muss, damit Galaxien entstehen und sich in ihren aktuellen Zustand entwickeln können. Aber Dunkelheit ist nur eine schicke Art auszudrücken, dass wir keine Ahnung haben, was es ist, außer dass es schwach mit anderen Teilchen im Standardmodell interagiert.“

Ultraleichtes schwarzes Material

Ultraleichte Dunkle Materie besteht aus Teilchen der Dunklen Materie kleiner Masse, die als Skalarbosonen modelliert werden und keinen intrinsischen Spin haben. Dadurch entsteht ein Skalarfeld, das gleichmäßig im Raum verteilt ist, ähnlich wie die Temperatur in einem Raum gleichmäßig verteilt ist.

Diese Art von Dunkler Materie kommt in verschiedenen Formen vor, etwa als unscharfe dunkle Materie und als Bosonenwolken. Diese Partikel können bis zu 10 sein²⁸ mal leichter als ein Elektron.

Flauschige Dunkle Materie verklumpt nicht auf die gleiche Weise wie herkömmliche Teilchen der Dunklen Materie. Im Gegenteil, es zeigt aufgrund der geringen Masse der Teilchen ein deutliches Wellenverhalten auf großen Skalen. Im kleinen Maßstab kann unscharfe Dunkle Materie das Verhalten galaktischer Strukturen beeinflussen.

Andererseits finden sich Bosonenwolken um rotierende Schwarze Löcher. Die Bosonenwolke entzieht dem Schwarzen Loch Energie und wächst, wodurch sich die Energie verteilt, anstatt vom Schwarzen Loch absorbiert zu werden. Dieser Vorgang wird als Superradianz bezeichnet.

Wenn eine dieser theoretischen Formen ultraleichter dunkler Materie im EMRI existiert, könnte sie die von diesen Systemen emittierten Gravitationswellen verändern.

Ein relativistischer Ansatz

Obwohl frühere Studien Umweltauswirkungen auf EMRI untersucht haben, haben sie sich ausschließlich auf Newtonsche Näherungen verlassen. In Umgebungen mit extremer Schwerkraft oder bei hohen Geschwindigkeiten (nahe der Lichtgeschwindigkeit) können relativistische Effekte jedoch nicht ignoriert werden.

Das Forschungsteam beschloss daher, einen vollständig relativistischen Rahmen zu integrieren, um die Umgebung rund um EMRIs zu untersuchen. Ihr Ziel war es, mit diesem Rahmen den Energieverlust in EMRIs aufgrund von Gravitationswellen durch Inspiration und Erschöpfung des Skalarfeldes während seiner Wechselwirkung mit dem Binärsystem zu untersuchen.

Dr. Rodrigo Vicente, Postdoktorand am Institut für Hochenergiephysik in Barcelona und Mitautor der Studie, erklärte seine Ergebnisse: „Wenn kleinere Schwarze Löcher das SMBH umkreisen, bewegen sie sich über die Dunkle Materie und erzeugen eine dichte Spur.“ Kielwasser, ähnlich dem Kielwasser, das ein Schwimmer in einem Schwimmbad erzeugt. Dieser Sog übt eine zusätzliche Anziehungskraft auf das kleine Schwarze Loch aus, die als dynamische Reibung bezeichnet wird, wodurch es abgebremst wird und die Gravitationswellensignale verändert werden.

Die Dichte ultraleichter dunkler Materiewolken rund um das SMBH kann das 20-fache der Golddichte erreichen, was den erheblichen Einfluss ultraleichter dunkler Materie auf die Entwicklung von EMRI und anderen ähnlichen Systemen unterstreicht.

LISA und zukünftige Entdeckungen

Die Verschiebung der Gravitationswellensignale durch ultraleichte Dunkle Materie könnte auf der Erde von zukünftigen Detektoren wie LISA nachgewiesen werden.

Dr. Caio Macedo, Professor an der Universidade Federal do Pará und Mitautor der Studie, erklärte: „LISA, das voraussichtlich 2035 von der Europäischen Weltraumorganisation gestartet wird, wird empfindlich auf Millihertz-Frequenzen reagieren und es ermöglichen, Beobachten Hochpräzise EMRIs können diesen Systemen über Wochen, Monate oder sogar Jahre folgen und sind dann perfekt geeignet, die durch dynamische Reibung verursachte Phasenverschiebung zu beobachten, die sich über viele Zyklen ansammelt.

Wenn solche Effekte jedoch nicht beobachtet werden, können LISA-Daten verwendet werden, um die Existenz ultraleichter Felder über einen weiten Massenbereich hinweg streng einzuschränken.

Jenseits der Dunklen Materie

Neben dem dynamischen Reibungseffekt konnten die Forscher auch untersuchen, wie sich unscharfe Dunkle Materie und Bosonenwolken unterschiedlich verhalten.

Die Forscher fanden heraus, dass im Fall der unscharfen Dunklen Materie um SMBHs der Energieverlust aufgrund der Erschöpfung des Skalarfeldes den Energieverlust aufgrund der Gravitationswellenemission übersteigen kann, insbesondere wenn das kleinere Objekt weit von SMBH entfernt ist.

Die Integration eines relativistischen Rahmens ermöglichte es auch, das Resonanzverhalten von Gravitationswellen zu entdecken, einen relativistischen Effekt, der in Newtonschen Modellen fehlt.

Bei Bosonenwolken fanden sie heraus, dass die Energiedissipation durch skalare Verarmung sehr empfindlich von den Eigenschaften des umgebenden Mediums abhängt.

Mit einem genaueren Modell darüber, wie verschiedene Arten von Materie Gravitationswellen beeinflussen, hat diese Studie das Potenzial, unser Verständnis der Schwerkraft erheblich zu verbessern und einen wichtigen Weg für die Erforschung der Dunklen Materie aufzuzeigen.

Im Hinblick auf zukünftige Arbeiten erwähnen die Forscher die Erweiterung ihres Rahmenwerks, um exzentrische Umlaufbahnen zu berücksichtigen, die bei EMRIs eher zu beobachten sind.

Sie planen auch, ihr relativistisches Rahmenwerk an Scheiben aktiver galaktischer Kerne (AGN) anzupassen, von denen angenommen wird, dass sie erhebliche Mengen dunkler Materie enthalten. Da dunkle Materie für die Bildung großräumiger Strukturen unerlässlich ist, könnte diese Forschung mehr Klarheit über ihre Rolle im Universum liefern.

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