Ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitationswellen überall im Universum konstant?
Die neue Disziplin der Gravitationswellenastronomie, die mit der Entdeckung der Gravitationswellen entstanden ist, hat eine weitere Aufgabe: die Suche nach der dunklen Materie. Dies könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat aus sehr leichten Partikeln bestehen. Berechnungen zeigen, dass Gravitationswellen verlangsamt werden, wenn sie durch diese dunkle Materie gehen. Dies führt zu einer Verzögerung der Gravitationswellen gegenüber dem Licht, die mit den heutigen Detektoren bereits messbar sein sollte.
Im Universum gibt es fünfmal mehr unsichtbare geben als sichtbare Materie. Woraus diese dunkle Materie besteht, ist noch unbekannt. Die bisherige experimentelle Suche konnte nur Partikeltypen oder Energiebereiche ausschließen. Einer der Vorschläge ist, dass die Dunkle Materie aus sehr leichten Teilchen besteht, die im frühen Universum ein Bose-Einstein-Kondensat gebildet haben. Im Gegensatz zu anderen Vorschlägen könnte dies die Struktur des Universums auf allen Größenskalen erklären. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein Aggregatzustand, in dem sich alle Partikel im gleichen quantenmechanischen Zustand befinden, also vollständig delokalisiert sind und ein einziges makroskopisches Quantenzustand bilden. Dies ist nur möglich, wenn die Partikel Bosonen sind. Im Labor können Bose-Einstein-Kondensate mit bestimmten Atomen bei extrem niedrigen Temperaturen realisiert werden.
Und wie kann der oben genannte Vorschlag überprüft werden? Mit Gravitationswellen! Das klingt überraschend, aber Berechnungen zeigen, dass ein solches Bose-Einstein-Kondensat die Geschwindigkeit der einfallenden Gravitationswellen verlangsamt, die sich tatsächlich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese werden durch Raum-Zeit-Verzerrungen verursacht, die das Bose-Einstein-Kondensat anregen. Dies ist ähnlich wie Licht, das beim Durchgang durch ein dichtes Medium wie Wasser gebremst und somit gebrochen wird.
Wie stark eine Gravitationswelle verlangsamt wird, wenn sie den Halo der dunklen Materie einer Galaxie passiert, hängt nur von der Masse und Wechselwirkung der Partikel im Bose-Einstein-Kondensat und der Frequenz der Gravitationswelle ab: Je niedriger die Frequenz, desto stärker die Wirkung - auch die Brechung des Lichts hängt von der Farbe des Lichts ab. Nach den Berechnungen ist die Bremswirkung bei den Frequenzen bereits stark genug für eine Messung, die die LIGO-Detektoren erkennen können. Laufende Messungen mit den Radioteleskopen des IPTA und zukünftigen Satelliteninstrumenten wie eLISA können auch Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen beobachten und so den Vorschlag auf dunkle Materie umfassend überprüfen.
Originalveröffentlichung:
Gravitational Waves a New Probe of Bose-Einstein Condensate Dark Matter, P.S. Bhupal Dev, Manfred Lindner and Sebastian Ohmer, arXiv: 1609.03939