Im Jahr 2023 kündigten Astrophysiker die Entdeckung eines "Summens" von Gravitationswellen an, die das Universum durchdringen. Sie glaubten, dass dieses Hintergrundsignal von der Verschmelzung von Millionen von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher (SMBH) stammt, die jeweils Milliarden Mal massereicher sind als unsere Sonne.

Allerdings haben theoretische Simulationen gezeigt, dass sich der Fortschritt dieser massiven Himmelsobjekte stoppt, wenn sie sich einander nähern, und zwar in einer Entfernung von etwa einem Parsec – etwa drei Lichtjahren –, was ihre Verschmelzung verhindert. Dieses "Final-Parsec-Problem" steht nicht nur im Widerspruch zur Theorie, dass SMBH-Verschmelzungen die Quelle der Gravitationswellen sind, sondern auch zur Theorie, dass SMBH durch die Verschmelzung kleinerer Schwarzer Löcher wachsen.

Neue Forschung
Nun hat ein Team um Gonzalo Alonso-Álvarez gezeigt, dass Paare von SMBH die Ein-Parsec-Grenze überwinden und zu einem einzigen größeren Schwarzen Loch verschmelzen können. Laut ihren neuen Berechnungen nähern sich die SMBH aufgrund zuvor übersehener Wechselwirkungen mit Partikeln innerhalb der riesigen Wolke aus dunkler Materie, die sie umgibt, weiter an.

"Wir zeigen, dass die Einbeziehung des zuvor vernachlässigten Effekts der dunklen Materie supermassereichen Schwarzen Löchern helfen kann, diese letzte Parsec-Trennung zu überwinden und zu verschmelzen", sagt Alonso-Álvarez. "Unsere Berechnungen erklären, wie dies geschehen kann, im Gegensatz zu früheren Überzeugungen."

Die Forschung wird in dem Artikel "Self-interacting dark matter solves the final parsec problem of supermassive black hole mergers" beschrieben, der diesen Monat in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Zu den Co-Autoren des Artikels gehören Alonso-Álvarez, ein Postdoktorand im Department of Physics an der Faculty of Arts and Sciences und dem Department of Physics and Trottier Space Institute an der McGill University; Professor James Cline von der McGill University und dem Department of Theoretical Physics von CERN in der Schweiz; und Caitlyn Dewar, eine Masterstudentin der Physik an der McGill University.

SMBH und dunkle Materie
Es wird angenommen, dass SMBH im Zentrum der meisten Galaxien liegen und wenn zwei Galaxien kollidieren, treten ihre SMBH in eine Umlaufbahn um einander ein. Während sie umeinander kreisen, zieht die Gravitationskraft benachbarter Sterne sie an und verlangsamt sie. Dadurch bewegen sich die SMBH spiralförmig auf eine Verschmelzung zu.

Frühere Verschmelzungsmodelle zeigten, dass, wenn die SMBH sich auf etwa einen Parsec nähern, sie beginnen, mit der dunklen Materiewolke oder dem Halo, in dem sie sich befinden, zu interagieren. Sie deuteten darauf hin, dass die Schwerkraft der spiralförmigen SMBH dunkle Materieteilchen aus dem System ausstößt und die resultierende Dunkelmaterieknappheit bedeutet, dass keine Energie mehr aus dem Paar gezogen wird und ihre gegenseitige Umlaufbahn nicht mehr schrumpft.

Obwohl diese Modelle den Einfluss der dunklen Materie auf die SMBH-Umlaufbahnen ablehnten, zeigt das neue Modell von Alonso-Álvarez und seinen Kollegen, dass dunkle Materieteilchen auf eine Weise interagieren, die sie nicht streut. Die Dichte des dunklen Halos bleibt hoch genug, damit die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und den SMBH die SMBH-Umlaufbahnen weiterhin abbauen und einen Weg zur Verschmelzung schaffen.

"Die Möglichkeit, dass dunkle Materieteilchen miteinander interagieren, ist eine Annahme, die wir gemacht haben, ein zusätzliches Element, das nicht alle Dunkelmateriemodelle haben", sagt Alonso-Álvarez. "Unser Argument ist, dass nur Modelle mit diesem Element das letzte Parsec-Problem lösen können."

Gravitationswellen-Detektion
Das durch diese kolossalen kosmischen Kollisionen verursachte Hintergrundsummen besteht aus Gravitationswellen mit viel längeren Wellenlängen als die, die Astrophysiker erstmals 2015 mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nachgewiesen haben. Diese Gravitationswellen wurden durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erzeugt, die jeweils etwa 30 Mal massereicher als die Sonne waren.

Das Hintergrundsummen wurde in den letzten Jahren von Wissenschaftlern entdeckt, die am Pulsar Timing Array arbeiten. Dieses Netzwerk erkennt Gravitationswellen, indem es winzige Variationen in den Signalen von Pulsaren misst, schnell rotierenden Neutronensternen, die starke Radiopulse aussenden.

"Die Vorhersage unseres Vorschlags ist, dass das Spektrum der durch das Pulsar-Timing-Array nachgewiesenen Gravitationswellen bei niedrigen Frequenzen weicher sein sollte", sagt Cline. "Die aktuellen Daten deuten bereits auf dieses Verhalten hin, und neue Daten könnten dies in den nächsten Jahren bestätigen."

Neben der Bereitstellung von Einblicken in SMBH-Verschmelzungen und das Hintergrundsignal von Gravitationswellen bietet das neue Ergebnis auch ein Fenster in die Natur der dunklen Materie.

"Unsere Arbeit ist eine neue Möglichkeit, die Teilchennatur der dunklen Materie besser zu verstehen", sagt Alonso-Álvarez. "Wir haben herausgefunden, dass die Entwicklung der Schwarzen-Loch-Umlaufbahnen sehr empfindlich auf die Mikro-Physik der dunklen Materie reagiert, was bedeutet, dass wir Beobachtungen von Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher nutzen können, um diese Teilchen besser zu verstehen."

Zum Beispiel haben die Forscher herausgefunden, dass die von ihnen modellierten Wechselwirkungen zwischen den Teilchen der dunklen Materie auch die Formen der galaktischen Dunkelmaterie-Halos erklären.

"Wir haben herausgefunden, dass das Problem des letzten Parsecs nur gelöst werden kann, wenn die Teilchen der dunklen Materie mit einer Rate interagieren, die die Verteilung der dunklen Materie auf galaktischen Skalen verändern kann", sagt Alonso-Álvarez. "Das war unerwartet, da die physikalischen Skalen, auf denen die Prozesse stattfinden, um drei oder mehr Größenordnungen unterschiedlich sind. Das ist aufregend."

Darüber hinaus legt die Forschung nahe, dass weitere Beobachtungen von Gravitationswellen zusätzliche Details über die Natur der dunklen Materie offenbaren könnten, was es Wissenschaftlern möglicherweise ermöglicht, zwischen verschiedenen Modellen der dunklen Materie zu unterscheiden, basierend auf dem Verhalten supermassereicher Schwarzer Löcher während der Verschmelzung. Diese Entdeckung könnte neue Forschungsrichtungen in der Astrophysik und der kosmischen Mikro-Physik eröffnen und tiefere Einblicke in die grundlegenden Bestandteile des Universums bieten.

Quelle: University of Toronto