Schwarze Löcher als Teilchen-Detektoren

TU Wien-Forschung

Schwarze Löcher als Teilchen-Detektoren

Berechnungen zeigen: Unbekannte Teilchen könnten sich um Schwarze Löcher anlagern.

In verschiedenen Experimenten suchen Wissenschafter weltweit nach einem Elementarteilchen, das bisher nur als theoretisches Konstrukt existiert: das sogenannte Axion. Wenn es existiert, ist es unvorstellbar leicht. Wissenschafter der Technischen Universität (TU) Wien schlagen nun in der Fachzeitschrift "Physical Review D" eine Methode vor, wie man die Existenz der hypothetischen Teilchen nachweisen könnte: Rund um ein Schwarzes Loch könnten sich Axionen ansammeln - kollabiert diese Teilchenwolke, würde dieser Vorgang Gravitationswellen aussenden, und die könnte man eines Tages messen und damit die Existenz des Teilchens nachweisen.

Existenzbeweis
"Die Existenz von Axionen ist nicht bewiesen, gilt aber als durchaus wahrscheinlich", sagt Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien zu den von US-Nobelpreisträger Frank Wilczek Ende der 1970er Jahre vorhergesagten und von ihm nach einem Waschmittel benannten Teilchen. Axionen werden neben anderen hypothetischen Teilchen als mögliche Kandidaten zur Lösung des Problems der Dunklen Materie gehandelt. Die sichtbare Materie des Universums, Sterne, Planeten, Staub, etc. macht nur vier Prozent des Energie-Materie-Inhalts des Universums aus, 20 bis 25 Prozent sollten Dunkle Materie sein, der große Rest die völlig rätselhafte Dunkle Energie.

Stabile Bahnen
Berechnungen von Grumiller und seiner Kollegin Gabriela Mocanu, die auf einer Arbeit von Asmina Arvanitaki und Sergei Dubovsky (USA/Russland) aus dem Vorjahr basieren, zeigten, dass sich die Axionen - wenn es sie denn gibt - rund um ein Schwarzes Loch anlagern könnten. "Die Teilchen würden auf stabilen Bahnen außerhalb des Schwarzen Loches rotieren, ähnlich wie Planeten um die Sonne oder Satelliten um die Erde", erklärte Grumiller. Aufgrund eines speziellen Effekts, dem sogenannte "Penrose-Prozess", entzieht diese Teilchen-Wolke dem Schwarzen Loch kontinuierlich Energie. Dadurch würde auch die Zahl der Teilchen laufend zunehmen.

Instabil
Allerdings muss diese Teilchen-Wolke nicht stabil sein: "Ähnlich wie ein locker aufgehäufter Sandhaufen, der plötzlich abrutschen kann, wenn man noch ein Sandkörnchen hinzugibt, kann diese Wolke plötzlich kollabieren", so Grumiller, der 2008 mit dem Start-Preis, der höchsten österreichischen Auszeichnung für Nachwuchswissenschafter, geehrt wurde. Das Spannende daran: Einen solchen Kollaps, eine sogenannte "Bose-Nova" (weil die Axionen zur Teilchen-Art der Bosonen gehören, Anm.), könnte man messen: Dieses Ereignis würde Raum und Zeit zum Schwingen bringen und Gravitationswellen ausstrahlen.

Gravitationswellen
Gravitationswellen werden von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, sind aber bisher noch nie direkt nachgewiesen worden, es gibt nur indirekte Hinweise darauf. Sie werden von beschleunigten Massen erzeugt, also etwa beim Kollaps der Axionen-Wolke. Grumiller rechnet damit, dass die bereits existierenden Detektoren frühestens 2016 so empfindlich sein werden, um tatsächlich Gravitationswellen einwandfrei nachweisen zu können, beispielsweise das US-amerikanische "Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium" LIGO, dessen nächste Ausbaustufe 2014 in Betrieb gehen soll. Die neuen Berechnungen zeigen jedenfalls, dass diese Gravitationswellenexperimente nicht nur neue Informationen über Astronomie, sondern auch über neue Teilchensorten liefern könnten.

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