Es kann sich herausstellen, dass die schwer fassbare Substanz keine neuen Partikel enthält
Als der Sprecher des
aLIGO-Projekts (Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer) am 11. Februar 2016 die Erkennung von Gravitationswellen ankündigte, war ich erstaunt. Natürlich haben wir erwartet, dass aLIGO uns irgendwann etwas Interessantes bietet, aber wir haben über vorläufige Ergebnisse nachgedacht. Wir dachten, dass das Projekt nach mehreren Monaten komplizierter und schwieriger Berechnungen eine Art schwaches Signal geben würde, das sich etwas über das Rauschen erhebt.
Aber nein, die Grafiken an diesem schicksalhaften Tag im Februar waren so klar und eindeutig, dass sie nichts beweisen mussten. Mit meinen eigenen Augen konnte ich eine Wellenform sehen, die mit nichts verwechselt werden konnte - dies ist eine Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, wodurch Gravitationswellen in die umgebende Raumzeit ausbrechen.
Und das war noch nicht alles. Die schwarzen Löcher, die von aLIGO gesehen werden, sollten überhaupt nicht existiert haben. Wir wissen um die Existenz von Schwarzen Löchern mit einer Masse von einer Million oder Billionen Mal der Masse der Sonne, und wir haben kleine Schwarze Löcher mit einer Masse gesehen, die mit der der Sonne vergleichbar ist. Aber die Masse der von aLIGO gesehenen Schwarzen Löcher war 30-60-mal größer als die der Sonne. Einige meiner Kollegen argumentieren, dass sich die von aLIGO entdeckten mittelgroßen Schwarzen Löcher als dieselbe dunkle Materie herausstellen könnten, die sich seit fast 50 Jahren vor uns versteckt hat.
Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler vermuten, dass Schwarze Löcher dunkle Materie sein könnten, aber wir dachten, dass diese Möglichkeit eindeutig abgelehnt wurde. Die Auferstehung dieser Idee ist ein weiteres Beispiel für die reiche kreative Aktivität, die nach einer neuen Entdeckung entsteht. Aus der Mode gekommene Ideen können darauf zurückgreifen, wenn Sie sie in einem neuen Licht und mit Begeisterung betrachten - und sogar die akzeptierten Sichtweisen ersetzen. Die Überarbeitung von Entdeckungen bringt auch scheinbar unvergleichliche Forschungsbereiche zusammen - in unserem Fall handelt es sich um dunkle Materie und Gravitationswellen - und führt zu fruchtbaren Zusammenhängen.
In den 1970er Jahren schlugen Stephen Hawking und sein Doktorand Bernard Carr vor, dass aus dem Chaos, das nach dem Urknall ausbrach, ein Meer winziger
primärer Schwarzer Löcher entstehen könnte. Im Laufe der Zeit könnten sie wachsen und die Grundlage für die Bildung von Galaxien werden. Sie könnten sogar zum Gesamtenergiebudget des Universums beitragen. Schwarze Löcher sind schwer und schwer zu erkennen - wir brauchen diese Eigenschaften, um die fehlende Materie des Universums zu erklären.
Seit mehreren Jahrzehnten entwickeln treue Unterstützer dieser Idee sie. In den neunziger Jahren schien sie einen tödlichen Schlag überlebt zu haben. Im
MACHO- Experiment schickten Wissenschaftler ein Teleskop zur Großen Magellanschen Wolke, um nach einem flackernden Licht zu suchen, was bedeuten würde, dass ein Schwarzes Loch vor dem Stern vorbeiging. Sie fanden heraus, dass es sehr schwierig sein würde, genug schwarze Löcher zu bekommen, um ihnen die gesamte dunkle Materie des Universums abzuschreiben.
Später untersuchte Timothy Brandt vom Princeton Institute for Advanced Studies die Wirkung von Schwarzen Löchern auf dichte Sternagglomerationen, die als Kugelhaufen bekannt sind und in Zwerggalaxien leben, die sich in der Leere um die Milchstraße verstecken. Er zeigte, dass sich diese Cluster im Falle eines Überschusses an Schwarzen Löchern schnell erwärmen, anschwellen und sterben würden. Durch Ersetzen bestimmter Werte für einen bestimmten Cluster in der Zwerggalaxie Eridanus II konnte er zeigen, dass nur ein kleiner Teil der dunklen Materie in Form von Schwarzen Löchern existieren kann. In diesem Zusammenhang hat sich die Idee, dass Schwarze Löcher als dunkle Materie wirken, zu einer anderen exotischen Idee entwickelt, mit der Theoretiker gerne spielen, jedoch ohne wirkliche Unterstützung in der Natur.
Und die Suche nach dunkler Materie hat sich auf schwach wechselwirkende massive Teilchen,
WIMP, konzentriert . Dies sind fundamentale Teilchen, Relikte aus den frühesten Zeiten, als fundamentale Wechselwirkungen in der Natur kombiniert wurden und sich völlig anders verhielten als heute. Für viele meiner Kollegen ist die WIMP-Entdeckung unvermeidlich, sie müssen existieren. Sobald wir ein ausreichend großes und leistungsfähiges Werkzeug bauen, werden wir nach Ansicht der meisten Kosmologen diese seltsamen Teilchen unweigerlich sehen.
Das passiert einfach nicht. Im Laufe der Zeit wurden unsere Detektoren leistungsfähiger und größer, aber sie fanden nichts. In einem kürzlich durchgeführten
LUX- Experiment, bei dem nach seltenen Partikeln gesucht wurde, die ihre Energie in einer halben Tonne flüssigem Xenon hinterlassen, das einen Kilometer unter der Erde in Blei in South Dakota vergraben war, konnten sie keine Hinweise auf Partikel finden, die noch nie zuvor gesehen worden waren. Richard Gateskel von der Brown University, einer der Gründer von LUX, sagte: „Es wäre wunderbar, wenn eine verbesserte Empfindlichkeit es uns ermöglichen würde, ein klares Signal der Dunklen Materie zu sehen. Was wir jedoch beobachten, entspricht nur dem Hintergrund. “
Angesichts der verzweifelten Position von WIMP ist es sinnvoll, einige alte, spekulative, verworfene Ideen aufzugreifen. In zwei neueren Arbeiten, von denen eine von Simeon Bird von der Universität geleitet wurde. John Hopkins und der andere, Misao Sasaki von der Yukawa University in Tokio, haben genau das getan.
Angetrieben von der Entdeckung von aLIGO stellten sie die Frage, ob Schwarze Löcher mit einem Gewicht von mehreren zehn Solarzellen dunkle Materie sein könnten. Es hätte 10 Milliarden solcher Löcher in der Milchstraße geben sollen, und das nächste davon könnte einige Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt sein. Einige von ihnen mussten binäre Systeme bilden, und einige dieser Systeme konnten von aLIGO erkannt werden. Die beiden Teams sind sich einig, dass aLIGO von mehreren Einheiten bis zu mehreren Dutzend solcher Ereignisse pro Jahr erkennen und sich gegen andere Schwarze Löcher durchsetzen sollte, die auf eine Weise wie den Zusammenbruch von Sternen auftreten. Mit anderen Worten, wenn diese schwarzen Löcher galaktische dunkle Materie sind, können Sie erwarten, dass aLIGO sie sieht. Und er sah sie.
Der Teufel im Detail. Wie prähistorische Schwarze Löcher entstehen sollten, ist noch offen. Eine Idee ist, dass sie in einer kurzen Zeit der beschleunigten Expansion des frühen Universums während der Inflation entstanden sind. Die Schocks und Vibrationen dieser Zeit sollten Energie in dichten Kugeln konzentrieren, was zur Bildung von Schwarzen Löchern führen würde. Damit wir sie erkennen können, müssen diese Löcher nahe genug kommen, um Gravitationswellen zu verschmelzen und zu emittieren. Wie und wann dies geschieht, hängt von der Form der Milchstraße, der Dichte der Masse und der Geschwindigkeit der Schwarzen Löcher ab. Vernünftige Annahmen geben eine vielversprechende Antwort, aber dies sind immer noch Spekulationen.
Dies sind nur die ersten Schritte auf dem Gebiet nach der Euphorie der Entdeckung von aLIGO, und alles kann passieren. Die Einschränkungen des MACHO-Experiments und die Physik von Kugelsternhaufen wirken dieser Idee entgegen, aber eine brillante Idee kann alle mit Beobachtungen verbundenen Probleme lösen.
Die Eröffnung von aLIGO erinnert mich an eine weitere Veränderung, die ich in meiner Karriere beobachtet habe. 1991 maß der
COBE-Satellit erstmals die vom Urknall übrig gebliebenen CMB-Wellen. Die enttäuschende und fast quixotische Suche nach dieser Strahlung dauerte mehr als 25 Jahre und bewegte sich fast in die Provinzgebiete der Kosmologie. Die Kosmologie selbst schien ein esoterisches und schwer zu beschreibendes Thema zu sein, ein vages, wenn auch sehr interessantes und kreatives Thema. Als jedoch endlich Strahlung gefunden wurde, entstand eine Lawine von Ideen nicht nur für die Astronomie, sondern auch für die Teilchenphysik.
Seit Jahrzehnten versuchen wir, die grundlegenden Naturgesetze, die das frühe Universum beherrschten, mit der Entstehung von Galaxien zu verbinden, um die heute sichtbaren großräumigen Strukturen zu entwickeln und zu formen. Die Entdeckung von COBE hat mich auf den Weg gebracht, den ich bis heute eingeschlagen habe, und ich kann mir vorstellen, wie aLIGO mit einer neuen Generation von Physikern auf der Suche nach dunkler Materie dasselbe tun wird.