Mit Gravitationswellen dunkle Materie belauschen

Dank der Laser­interferometer-Raum­antenne (LISA) können Astro­physiker Gravitations­wellen beobachten, die von schwarzen Löchern aus­gesendet werden. Diese Schock­wellen entstehen, wenn schwarze Löcher zusammen­stoßen oder sich gegenseitig schlucken. Das Weltraum­projekt LISA wird aus drei Raum­sonden bestehen, die in einer konstanten Dreiecks­formation um die Sonne kreisen und durch Laser­strahlen mit­einander verbunden sind. Durch­laufen Gravitations­wellen die Schenkel des Drei­ecks, kommt es zu minimalen Verzerrungen des Laser­strahls, welche die Mess­geräte erkennen und aufzeichnen. So wird LISA neue Erkenntnisse über das Universum ermöglichen und dazu beitragen, bisher unsicht­bare Phänomene zu ergründen.

Forscher des Zentrums für theoretische Astrophysik und Kosmologie der Universität Zürich haben nun gemeinsam mit Wissen­schaftlern aus Griechen­land und Kanada aufgezeigt, dass LISA künftig nicht nur bisher unerforschte Gravitations­wellen messen, sondern auch mithelfen könnte, das Mysterium der dunklen Materie zu ergründen.

Es wird angenommen, dass die Partikel der dunklen Materie etwa 85 Prozent der gesamten Struktur des Universums ausmachen. Die Existenz dieser Partikel ist aber immer noch hypothetisch – genau so wie deren Beschaffen­heit noch immer im Dunkeln liegt. Berechnungen zeigen jedoch, dass viele rotierende Galaxien aus­einander gerissen würden, wenn sie nicht durch viel dunkle Materie zusammen­gehalten würden.

Das gilt besonders für Zwerg­galaxien. Diese kleinen, nicht sehr hell leuchtenden Galaxien kommen im Universum am häufigsten vor. Das macht sie für Astro­physiker zu natürlichen Labors für die Erforschung der schwer fass­baren dunklen Materie.

Wie die Forscher nun berichten, lieferten die hoch­auflösenden Computer­simulationen von Tomas Ramfal, Doktorand am Institut für Computational Science der Universität Zürich, über­raschende Ergebnisse zur Geburt von solchen Zwerg­galaxien. Das Zürcher Forscher­team berechnete das Zusammen­spiel von dunkler Materie, Sternen und den zentralen schwarzen Löchern inner­halb der Galaxien und entdeckte einen starken Zusammen­hang: Je mehr schwarze Löcher mit­einander fusionieren, desto größer ist die Menge an dunkler Materie im Zentrum der Zwerg­galaxien. Die Gravitations­wellen, die von diesen zusammen­schmelzenden Löchern aus­gesendet werden, könnten daher auch Hinweise auf die Beschaffen­heit der hypothetischen Partikel der Dunklen Materie geben.

Diese neu gefundene Verbindung zwischen schwarzen Löchern und dunkler Materie wurde nun erstmals mathematisch beschrieben. Dies sei kein Zufalls­treffer, betont Gruppen­leiter Lucio Mayer von der Universität Zürich: „Dunkle Materie ist charakteristisch für Zwerg­galaxien. Wir vermuteten daher schon lange, dass dunkle Materie auch einen wichtigen Ein­fluss auf die Zusammen­setzung des Kosmos hat."

Die Studie der Universität Zürich kommt zu einem Zeit­punkt, zu dem die Vorbereitungen für das end­gültige Design von LISA in vollem Gange sind. So nahm das LISA-Konsortium die ersten Ergebnisse der Simulationen mit großem Interesse auf. Die Physik­gemeinde sieht in diesem zusätzlichen Nutzen der Gravitations­wellen­beobachtung durch LISA eine viel­versprechende Perspektive für eine der größten zukünftigen europäischen Raumfahrt­missionen, die in rund 15 Jahren starten soll: Sie könnte Kosmologie und Teilchen­physik verbinden.

U. Zürich / DE