Gravitationswellen als Ursprung der Dunklen Materie
Neuartige Berechnungen erforschen das frühe Universum und legen eine neue Methode zur Teilchenherstellung nahe.
Gravitationswellen könnten für die Produktion von Dunkler Materie in den frühen Phasen der Entstehung unseres Universums verantwortlich sein. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Studie von Joachim Kopp von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Zusammenarbeit mit Azadeh Maleknejad von der Swansea University. Ihre Arbeit präsentiert neuartige Berechnungen, die einen neuen Mechanismus zur Entstehung von Dunkler Materie durch stochastische Gravitationswellen untersuchen.
Damit tragen sie zur Antwort auf eine grundlegende Frage der Teilchenphysik bei. Dunkle Materie macht etwa 23 Prozent unseres Universums aus. Astrophysikalische Beobachtungen bestätigen, dass sie das gesamte Universum durchdringt und Galaxien sowie die größten bekannten Strukturen im Kosmos bildet. Allerdings wissen wir noch nicht, aus welchen Teilchen sie genau besteht. Eine Vielzahl an Theorien und Experimenten suchen nach einer Antwort auf diese Frage.
Gravitationswellen entstehen typischerweise wenn zwei Schwarzer Löcher oder Neutronensterne verschmelzen. Stochastische Gravitationswellen haben dagegen ihren Ursprung in anderen Phänomenen, an denen keine massiven kosmologischen Objekte beteiligt sind. Ihr Signal ist entsprechend schwächer und bildet einen Teil des Hintergrunds der vielen Wellen, die sich durch unser Universum bewegen. Sie sind jedoch oft extrem alt. Viele ihrer Ursprungsphänomene traten in den frühesten Entwicklungsstadien unseres Universums auf, beispielsweise Phasenübergänge von Materie, als sich das Universum nach dem heißen Urknall abkühlte, oder primordiale Magnetfelder.
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„In diesem Artikel untersuchen wir die Möglichkeit, dass Gravitationswellen, von denen man annimmt, dass sie im frühen Universum allgegenwärtig waren, teilweise in Dunkle-Materie-Teilchen umgewandelt werden“, erklärt Kopp. „Dies führt zu einem neuen Mechanismus der Produktion von Dunkler Materie, der bisher noch nicht erforscht wurde.“
In ihrer Studie zeigen Kopp und Maleknejad, dass Gravitationswellen dazu geführt haben könnten, dass massefreie oder nahezu massefreie Fermionen entstanden sind. Fermionen sind eine Familie von Teilchen, zu der unter anderem Elektronen, Protonen und Neutronen gehören. Diese Fermionen aus der Frühzeit des Universums würden dann eine Masse annehmen und die Dunklen-Materie-Teilchen bilden, die bis heute existieren. „Der nächste Schritt zur Weiterentwicklung dieser Forschungsrichtung besteht darin, über unsere analytischen Schätzungen hinauszugehen und numerische Simulationen durchzuführen, um die Genauigkeit unserer Vorhersagen zu verbessern. Eine weitere Richtung für zukünftige Forschung ist die Untersuchung weiterer möglicher Auswirkungen von Gravitationswellen im frühen Universum. Ein Beispiel hierfür wäre ein Mechanismus, der zu dem bekannten Unterschied in der Menge der produzierten Teilchen und Antiteilchen führen würde“, so Kopp. [JGU / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
A. Maleknejad & J. Kopp, Gravitational-Wave Induced Freeze-In of Fermionic Dark Matter, Phys. Rev. Lett. 136, 131501, 31. März 2026; DOI: 10.1103/lr69-45v8 - Azadeh Maleknejad, Royal Society University Research Fellow, Senior Lecturer in Physics, Swansea University
- Astroteilchenphysik (Joachim Kopp), Theoretische Hochenergiephysik (THEP), Institut für Physik und Exzellenzcluster PRISMA++, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
