Schwarze Löcher als WIMP-Anzeiger?

Strahlung aus der Todeszone: Schwarze Löcher könnten helfen, endlich die rätselhaften Teilchen der Dunklen Materie ausfindig zu machen. Denn eine Simulation von NASA-Forschern zeigt, dass sich knapp außerhalb des Ereignishorizonts besonders viele dieser Partikel sammeln und miteinander kollidieren. Das aber setzt energiereiche Gammastrahlen frei, die man mit künftigen Gammastrahlen- Teleskopen nachweisen könnte, so die Forscher im Fachmagazin „Astrophysical Journal“.

Woraus besteht die Dunkle Materie? Über diese Frage rätseln Forscher seit langem. Der bisher gängigsten Theorie nach könnte es sich um sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) handeln. Diese verhalten sich wie ihre eigenen Antiteilchen und löschen sich aus, wenn sie kollidieren. Dabei werden Gammastrahlen frei. Doch dieses mögliche Signal aus der Vielzahl anderer Gammastrahlenquellen zu isolieren, ist schwer.

Gammastrahlen als Teilchen-Indiz

Dennoch haben Forscher erste potenzielle Anzeichen dieser Strahlung entdeckt, beispielsweise in Zwerggalaxien, in unserer Nachbargalaxie und sogar im Herzen unserer Milchstraße.

Jeremy Schnittman vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt und seine Kollegen haben nun noch eine mögliche Quelle dieses Signals Dunkler Materie-Teilchen ausgemacht: Schwarze Löcher. „Wir wissen zwar noch nicht, was die Dunkle Materie ist, aber wir wissen, dass sie durch die Gravitation mit dem Rest des Universum interagiert“, erklärt Schnittman. „Das aber bedeutet, dass sie sich um Schwarze Löcher besonders stark ansammeln muss.“ Denn diese üben eine extreme Schwerkraft aus, der möglicherweise selbst die WIMPs – oder was auch immer es für Teilchen sind – nicht widerstehen kann.

Kollisionen in der Kreisbahn

In einer Simulation untersuchten die Forscher, wie sich die Dunkle Materie-Teilchen verhalten, wenn sie in das Gebiet unmittelbar außerhalb des Ereignishorizonts gezogen werden, die sogenannte Ergosphäre. Sie ist der Bereich, in dem die Rotation des Schwarzen Lochs und seine enorme Schwerkraft alle Objekte mit fast Lichtgeschwindigkeit mitreißt und auf rasend schnelle Kreisbahnen zwingt. In der Simulation modellierten die Forscher die Bahnen von hunderten Millionen virtuellen WIMPs in dieser Sphäre.

„Die Gravitationskraft des Schwarzen Lochs verstärkt die Energie und die Zahl der Kollisionen, die sich zwischen den Teilchen ereignen“, so Schnittman. Kollidieren WIMPs unter diesen Bedingungen, dann entsteht besonders energiereiche Gammastrahlung. Normalerweise jedoch sorgt die Anziehungskraft des Schwarzen Lochs dafür, dass diese Strahlung nicht entweichen kann.

Gammasignal aus der Ergosphäre

Doch wie die Simulation zeigte, gibt es für die Gammastrahlung der WIMPs eine Fluchtmöglichkeit: Rotiert das Schwarze Loch so schnell, dass seine Ergosphäre sehr weit ausgedehnt ist, dann kann die Strahlung von Kollisionen aus deren Randbereichen gerade noch entkommen. Diese Strahlung könnte man mit entsprechenden Instrumenten als Gammastrahlen-Glühen am Äquator des Schwarzen Lochs erkennen, wie Schnittmann erklärt. Am stärksten wäre dieser Schein in einem sichelförmigen Bereich an der auf uns zu drehenden Seite des Schwarzen Lochs.

„Die Simulation sagt uns, dass es ein astrophysikalisch spannendes Signal gibt, das wir in der nicht allzu fernen Zukunft nachweisen könnten, wenn die Gammastrahlen-Teleskope weiter fortgeschritten sind“, sagt Schnittman. Schon jetzt sei es daher sinnvoll, die Rahmenbedingungen zu schaffen, um dieses Lebenszeichen von WIMPs oder anderen Teilchen Dunkler Materie einfangen zu können. (The Astrophysical Jpournal, 2015; doi: 10.1088/0004-637X/806/2/264)

(NASA/ Goddard Space Flight Center, 24.06.2015 – NPO)