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Schwarzes Loch mit Energiestrahl

Heiße Axionen-Spur bei Schwarzen Löchern

Das sogenannte Axion existierte bislang nur in den Köpfen der Theoretiker. Der Wiener Physiker Daniel Grumiller zeigt nun, wie und wo man das hypothetische Teilchen nachweisen könnte: durch Gravitationswellen im Umfeld von Schwarzen Löchern.

Teilchen 18.06.2012

Nach Waschmittel benannt

"Die Existenz von Axionen ist nicht bewiesen, gilt aber als durchaus wahrscheinlich", sagt Daniel Grumiller von der TU Wien. DasTeilchen wurde Ende der 1970er Jahre von Frank Wilczek vorhergesagt. Hin und wieder leisten sich auch theoretische Physiker eine kleine Schrulle: Der US-Nobelpreisträger benannte das hypothetische Korpuskel nach einem Waschmittel - weil der Markenname in seinen Ohren so schön klang.

Nun hat das Ding also diesen Namen und wird unter anderem als möglicher Kandidaten zur Lösung des Problems der Dunklen Materie gehandelt. Die sichtbare Materie des Universums, Sterne, Planeten, Staub, etc. macht nämlich 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.

Schwarze Löcher sammeln Teilchen

Die Studie

"Self-organized criticality in boson clouds around black holes", Physical Review D (doi: 10.1103/PhysRevD.85.105022).

Berechnungen von Grumiller und seiner Kollegin Gabriela Mocanu, 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 sogenannten "Penrose-Prozess", entzieht diese Teilchen-Wolke dem Schwarzen Loch kontinuierlich Energie. Dadurch würde auch die Zahl der Teilchen laufend zunehmen.

Smoking Gun: Gravitationswellen

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 Nachwuchswissenschaftler, 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 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.

science.ORF.at/APA

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