Schwarze Löcher als Axionen-Detektor

  • 20. June 2012

Bisher unentdeckte Elementarteilchen könnten sich um schwarze Löcher anlagern und sich dadurch zu erkennen geben.

Wer neue Teilchen finden will, braucht normalerweise viel Energie – deshalb baut man Beschleuniger, in denen Teilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht werden. Mit der nötigen Kreativität könnte es allerdings auch anders klappen: An der TU Wien wurde nun eine Methode vorgestellt, um vielleicht die Existenz von Axionen nachzuweisen, hypothetischen Elementarteilchen mit sehr geringer Masse: Rund um ein schwarzes Loch könnten sich solche Axionen versammeln und ihm Energie entziehen – und letztlich Gravitationswellen aussenden.

Schwarze Löcher könnten von einer Wolke aus Axionen umgeben sein, die als Bose-Nova irgendwann kollabieren

Abb.: Schwarze Löcher könnten von einer Wolke aus Axionen umgeben sein, die als Bose-Nova irgendwann kollabieren. (Bild: TU Wien)

„Die Existenz von Axionen ist nicht bewiesen, gilt aber als durchaus wahrscheinlich“, sagt Daniel Grumiller. Gemeinsam mit Gabriela Mocanu berechnete er am Institut für Theoretische Physik, wie sich Axionen nachweisen lassen. Schwere Teilchen haben winzig kleine De-Broglie-Wellenlängen, doch die niederenergetischen Axionen könnten durchaus Materiewellenlängen von vielen Kilometern Länge haben. Die Ergebnisse von Grumiller und Mocanu basieren auf einer Arbeit von Asmina Arvanitaki und Sergei Dubovsky. Sie zeigen, wie sich die Axionen rund um ein schwarzes Loch anlagern können, ähnlich wie Elektronen rund um einen Atomkern. Anstelle der elektromagnetischen Kraft wirkt zwischen Axionen und dem schwarzen Loch die Gravitation.

Es gibt noch einen weiteren, entscheidenden Unterschied: Im Gegensatz zu den Elektronen sind Axionen Bosonen – daher können sich viele von ihnen gleichzeitig im selben Quantenzustand befinden. Als „Bosonen-Wolke“ umgeben sie gemeinsam das schwarze Loch, entziehen ihm kontinuierlich Energie und die Teilchenzahl in der Wolke nimmt laufend zu.

Dieser Teilchennebel muss allerdings nicht stabil sein: „Ähnlich wie ein locker aufgehäufter Sandhaufen, der plötzlich abrutschen kann, wenn man noch ein Sandkörnchen hinzugibt, kann diese Bose-Wolke plötzlich kollabieren“, erklärt Daniel Grumiller. Das Spannende daran: Ein solcher Kollaps, eine so genannte Bose-Nova, ließe sich messen: Dieses Ereignis würde die Raumzeit zum schwingen bringen und Gravitationswellen ausstrahlen.

TU Wien / OD


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