Dunkle Materie: Die geheime Zutat für schwarze Loch Fusionen?

• Galaxienbildung führt zur Fusion supermassereicher Schwarzer Löcher. Gravitationswellen von Pulsar-Timing-Arrays deuten auf umkreisende Schwarze Löcher hin. Dunkle Materie könnte den Drehimpuls der Schwarzen Löcher reduzieren. Dynamische Reibung und andere Prozesse beeinflussen die Fusion. Verschiedene Modelle und Hypothesen bieten potenzielle Lösungen für das letzte Parsec-Problem.

00Days:00Hours:00Minutes:00SecondsDie ursprüngliche Version von erschien in. Galaxien haben sich im Laufe der kosmischen Geschichte zu immer größeren Strukturen zusammengefügt. Wenn Galaxien verschmelzen, müssen auch die supermassereichen Schwarzen Löcher in ihren Zentren irgendwann fusionieren, wodurch ein noch gigantischeres Schwarzes Loch entsteht. Doch seit Jahrzehnten quält Astrophysiker eine Frage: Wie können sich diese supermassereichen Schwarzen Löcher so nah kommen, dass sie in einer Spirale zusammenlaufen und verschmelzen? In Berechnungen stockt ihr Fortschritt, wenn sich die zusammenlaufenden Löcher auf dem sogenannten letzten Parsec befinden – ein Abstand von etwa einem Parsec oder 3,26 Lichtjahren. Sie sollten im Grunde genommen unbegrenzt umeinander kreisen.

Das Rätsel der Schwarzen Löcher

“Spiraldurchlaufzeiten könnten so hoch sein wie … das Alter des Universums”, sagte ein Astrophysiker der Vanderbilt University. Manche waren besorgt, dass sich vielleicht gar keine Schwarzen Löcher verschmelzen. Doch es gibt Hinweise darauf, dass sie es tun. Letztes Jahr haben Beobachtungen der subtilen Bewegungen pulsierender Sterne, bekannt als Pulsar-Timing-Array, wellenartige Verzerrungen in der Raumzeit offenbart. Diese Gravitationswellen stammen höchstwahrscheinlich von eng umkreisenden supermassereichen Schwarzen Löchern innerhalb eines Parses, die kurz vor der Fusion stehen. “Das war unser erster Beweis, dass schwarze Locha-Binärsysteme das letzte Parsec-Problem überwinden”, sagte ein Astrophysiker der Universität von Florida.

Wie erreichen sie das? Astrophysiker haben eine neue Vermutung: Dunkle Materie könnte den Drehimpuls der beiden Schwarzen Löcher abschöpfen und sie näher zusammenbringen. Dunkle Materie beschreibt 85 Prozent der unbekannten Materie im Universum. Wir können ihre Gravitationswirkungen auf Galaxien und die kosmische Struktur sehen, aber ihr Wesen bleibt verborgen. Die einfachsten hypothetischen Teilchen würden einer Fusion von Schwarzen Löchern wenig helfen. Doch eine Gruppe von Physikern aus Kanada schlug vor, dass eine komplexere Form, genannt , dies könnte. Diese Teilchen könnten an den supermassereichen Schwarzen Löchern ziehen, um sie innerhalb eines Parses zusammenzubringen.

Neue Modelle und Lösungen

Ein weiterer Vorschlag kam von einer separaten Gruppe von Physikern im September. Ein anderer Kandidat der dunklen Materie, manchmal als , könnte ebenfalls die Vereinigung erleichtern. Über die Jahre wurden auch alltäglichere Lösungen für das Puzzle vorgeschlagen. Vor dem Panorama dieser Optionen – von trivialen bis hin zu exotischen – erarbeiten Wissenschaftler Möglichkeiten, um die verschiedenen Möglichkeiten gegeneinander zu testen. “Die Gemeinschaft geht fast selbstverständlich davon aus, dass das letzte Parsec-Problem gelöst ist”, sagte ein theoretischer Astrophysiker der West Virginia University, der verschiedene Lösungen untersucht hat. “Die einzige Frage ist: Was ist die effizienteste Lösung?”

Zwei zu Tango

Kleine Schwarze Löcher, sternenartige Objekte mit so dichter Gravitation, dass sie alles fangen, selbst Licht, sind in Galaxien verteilt. Sie entstehen aus dem Gravitationskollaps einzelner Sterne. Die supermassiven Schwarzen Löcher in den Galaxienzentren hingegen, die Milliarden Sonnenmassen schwer sein können, sind geheimnisvoller und einflussreicher. Sie scheinen die Galaxie um sich herum zu strukturieren. Wenn zwei Galaxien verschmelzen, fördern gravitative Wechselwirkungen mit Sternen, Gas und dunkler Materie das langsame Zusammenfallen der beiden supermassereichen Schwarzen Löcher.

Diese Dynamik nennt man dynamische Reibung, erstmals 1980 identifiziert. “Dies wird als die Hauptmethode angesehen, durch die sich Schwarze Löcher annähern”, sagte ein Astrophysiker der Universität von Wisconsin, Madison. An einem bestimmten Punkt jedoch – von einem Bruchteil eines Parses bis zu einigen Parsen, je nach Masse der Schwarzen Löcher – hört die dynamische Reibung auf, effektiv zu sein. An diesem Punkt entfernen die Schwarzen Löcher Material aus ihrer Umgebung, was einen gravierenden Verlust an Stern- und Gasdichte zur Folge hat. In dieser leer geräumten Zone sollten die Schwarzen Löcher dann endlos kreisen, da es keine Substanz gibt, die sie abbremst.

Neue Perspektiven auf alte Fragen

“Die Erde umkreist die Sonne und wir stürzen nicht aufeinander”, sagte Alonso-Álvarez. Dasselbe gilt für zwei Schwarze Löcher. “Es gibt eine Erhaltung des Drehimpulses, die verhindert, dass sie zusammenstürzen, es sei denn, etwas entzieht ihnen diese Energie.” Selbstinteragierende dunkle Materie könnte diese Rolle übernehmen, so Alonso-Álvarez und Kollegen in Physical Review Letters vom Juli. Diese Materie unterscheidet sich von der sogenannten kalten dunklen Materie – den einfachsten hypothetischen Teilchen, die schwer, langsam und träge wären. Kalte dunkle Materie würde der Schwerkraft nur minimal unterworfen sein, sodass die Gravitationskräfte der Schwarzen Löcher sie aus der Nähe vertreiben würden.

Selbstinteragierende dunkle Materie hingegen besteht aus leichten Teilchen mit mindestens einer bindenden Kraft. Aufgrund ihrer Streutendenzen würden sie nicht so leicht zerstreut werden können und die Schwarzen Löcher verlangsamen. “Es bleibt dort und erzeugt Reibung”, sagte Alonso-Álvarez. “Es hat eine Art von Viskosität.” Diese Reibung könnte innerhalb von 100 Millionen Jahren zu einer Verschmelzung führen, womit das letzte Parsec-Problem gelöst wäre. “Ultraleichte” oder “verschwommene” dunkle Materie würde aus winzig leichten Teilchen bestehen, die gigantische Wellen formen. Diese dunkle Materie könnte in der Nähe des galaktischen Zentrums konzentriert sein und durch Reibung mit den Schwarzen Löchern ihre Drehimpulse erfordern.

Ocams Rasiermesser

Nicht jeder ist überzeugt, dass solch exotische Physik notwendig ist, um die Fusion der supermassereichen Schwarzen Löcher zu erklären. “Ich würde nicht sagen, dass wir selbstinteragierende dunkle Materie benötigen”, sagte ein theoretischer Astrophysiker an der Yale University. Eine andere Möglichkeit ist, dass Sterne, die in die Nähe der Schwarzen Löcher gelangen, genug Drehimpuls entfernen, um sie zusammenzubringen. Vielleicht werden die Sterne von anderswo aus der Galaxie zufällig in Richtung der Schwarzen Löcher geschleudert. Modellierungen haben jedoch gezeigt, dass dies nicht ausreichend ist, um das letzte Parsec-Problem zu lösen.

Alternativ könnte jedes Schwarze Loch über eine kleine Scheibe aus Gas verfügen, und diese könnten Material aus einer weiter entfernten Scheibe ziehen. “Die Scheiben um sie herum werden von der größeren Scheibe gefüttert”, sagte Taylor, wodurch auch ihre orbitale Energie entweichen kann. “Es scheint eine sehr effiziente Lösung zu sein”, sagte Natarajan. “Es gibt viel verfügbares Gas.” Anfang des Jahres schlugen Blecha und ihre Kollegen vor, dass ein drittes Schwarzes Loch möglicherweise eine Lösung bieten könnte. In Szenarien, wo zwei Schwarze Löcher stagnieren, könnte eine andere Galaxie mit einem weiteren Schwarzen Loch hinzukommen. “Eine starke Drei-Körper-Interaktion könnte Energie entfernen und die Fusionszeit erheblich verkürzen”, sagte Blecha.

Die Zukunft im Visier

Die Aufgabe besteht nun darin, herauszufinden, welche Lösung korrekt ist, oder ob mehrere Prozesse im Spiel sind. Alonso-Álvarez hofft, seine Idee zu testen, indem er ein Signal von selbstinteragierender dunkler Materie in zukünftigen Pulsar-Timing-Array-Daten sucht. Sobald sich Schwarze Löcher näher als der letzte Parsec kommen, geben sie ihren Drehimpuls hauptsächlich durch die Emission von Gravitationswellen ab. Aber wenn selbstinteragierende dunkle Materie beteiligt ist, sollten wir sehen, dass sie etwas Energie bei Abständen um den Parsec-Limit nimmt. Das könnte dann zu weniger energetischen Gravitationswellen führen, sagte Alonso-Álvarez.