Geflüster von der dunklen Seite: Was verraten Gravitationswellen über Dunkle Materie?

Wissenschaftler des Exzellenzclusters PRISMA+ analysieren Daten des Gravitationswellen-Observatoriums NanoGrav

15.03.2021

Die NANOGrav-Kollaboration hat kürzlich erste Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen beobachtet. Prof. Dr. Pedro Schwaller und Wolfram Ratzinger haben die Daten analysiert und dabei insbesondere die Möglichkeit untersucht, ob sich dahinter eine neue Physik jenseits des Standardmodells verbergen könnte: In der Fachzeitschrift SciPost Physics zeigen sie, dass das Signal sowohl mit einem Phasenübergang im frühen Universum als auch mit einem Feld extrem leichter axion-artiger Teilchen (ALPs) vereinbar ist. Letztere gelten als vielversprechende Kandidaten für Dunkle Materie.

Gravitationswellen öffnen ein Fenster ins frühe Universum. Während der allgegenwärtige kosmische Mikrowellenhintergrund keine Aussagen über die ersten 300.000 Jahre unseres Universums erlaubt, ermöglichen sie einen Blick bis zurück zum Urknall. "Gerade dieses ganz frühe Universum ist für die Teilchenphysik aber so spannend", erläutert Pedro Schwaller, Professor für Theoretische Physik am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). "Denn in dieser Zeit bildeten sich erst die Quarks und Gluonen als Elementarteilchen und aus ihnen die Bausteine der Atomkerne."

Das Besondere an den Gravitationswellen, für die die NanoGrav Kollaboration nun erste Hinweise gefunden hat: Sie weisen mit 10-8 Hertz eine sehr niedrige Frequenz auf, die etwa einer Schwingung pro Jahr entspricht. Entsprechend groß ist ihre Wellenlänge – und entsprechend groß muss auch ein Detektor sein, um sie nachzuweisen. Da ein solcher Detektor auf der Erde nicht zu realisieren ist, nutzen die Astronomen bei NanoGrav weit entfernte Pulsare und deren Lichtsignale als riesige Detektoren.

"Obwohl die Daten bisher nur einen ersten Hinweis auf niederfrequente Gravitationswellen liefern, ist es für uns trotzdem sehr spannend, uns mit ihnen auseinanderzusetzen", beschreibt Wolfram Ratzinger die Motivation hinter der Studie. "Denn solche Wellen könnten durch verschiedene Prozesse im frühen Universum entstanden sein. Bereits anhand der vorhandenen Daten können wir gegebenenfalls entscheiden, welche von ihnen überhaupt in Frage kommen könnten und welche von vorneherein nicht zu den Daten passen."

Im Ergebnis haben die Mainzer Wissenschaftler vor allem zwei Szenarien genauer unter die Lupe genommen, die die beobachteten Gravitationswellen hervorgerufen haben könnten: Phasenübergänge im frühen Universum oder ein Dunkle-Materie-Feld aus extrem leichten axion-artigen Teilchen (ALPs). Solche Phasenübergänge könnten in der Ursuppe, in der es kurz nach dem Urknall sehr turbulent zuging, mit Absinken der Temperatur schlagartig erfolgt sein – ebenso wie die Dunkle Materie sind sie jedoch im Standardmodell nicht vorgesehen.

Aufgrund der Datenlage interpretieren Pedro Schwaller und Wolfram Ratzinger die Resultate ihrer Analyse einerseits entsprechend vorsichtig: "Es zeigt sich eine leichte Tendenz hin zu dem Szenario des frühen Phasenübergangs." Andererseits, so die beiden Physiker, zeige aber die Tatsache, dass sie selbst anhand begrenzter Daten schon gewisse Tendenzen herausarbeiten können, das Potential der Analyse auf. "Insofern ist unsere Studie ein erster, aber wichtiger Schritt – sie stimmt uns sehr zuversichtlich, dass wir mit präziseren Daten verlässliche Aussagen treffen können, welche Botschaft uns die Gravitationswellen aus dem frühen Universum überbringen."

"Zudem", so Pedro Schwaller abschließend. "können wir bestimmte Eigenschaften der Szenarien schon jetzt eingrenzen – wie die Stärke des Phasenübergangs und die Masse der Axionen."