Galactic microlensing by Lobo-Parsaei-Riazi phantom wormhole: Paczynski light curves and probabilistic features

In den weiten, dunklen Nachbarschaften zwischen den Sternen vermuten Astronomen schon lange, dass unsichtbare Objekte durch die Galaxie driften könnten. Einige dieser Objekte sind als Schwarze Löcher bekannt, die kollabierten Überreste toter Sterne, die das Licht in ihrem Griff gefangen halten. Andere sind theoretische Kuriositäten namens Wurmlöcher, die wie Tunnel im Gefüge des Raums funktionieren und ferne Regionen des Universums miteinander verbinden könnten. Während Schwarze Löcher ein bestätigter Bestandteil unseres kosmischen Inventars sind, bleiben Wurmlöcher eine Hypothese – eine Lösung der Gleichungen der Gravitation, die noch nie direkt beobachtet wurde. Die Herausforderung für Wissenschaftler besteht darin, dass sowohl Schwarze Löcher als auch Wurmlöcher das Licht von Hintergrundsternen auf ähnliche Weise beugen können, was sie fast identisch aussehen lässt, wenn sie vor einem fernen Stern vorbeiziehen. Dieses Phänomen, bekannt als gravitativen Mikrolinseneffekt, wirkt wie eine kosmische Lupe, die einen Stern vorübergehend aufhellt, während ein unsichtbares Objekt zwischen ihm und der Erde vorbeizieht. Die Frage, die Forscher vor Rätsel gestellt hat, ist, ob die subtilen Details dieser Aufhellung die wahre Natur der unsichtbaren Linse enthüllen könnten, um ein massereiches Wurmloch von einem Schwarzen Loch zu unterscheiden.

Ein Forschungsteam hat dieses Problem neu beleuchtet, indem es sich auf einen spezifischen Typ eines theoretischen Wurmlochs konzentrierte, der als Lobo-Parsaei-Riazi-Modell bekannt ist. Diese Objekte werden durch eine seltsame Form von Materie gestützt, die als Phantommaterie bezeichnet wird und von der angenommen wird, dass sie für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich ist. Im Gegensatz zu normaler Materie besitzt diese Phantomsubstanz ungewöhnliche Eigenschaften, die es einem Wurmloch ermöglichen, offen zu bleiben, ohne zu kollabieren. Die Forscher gingen die Aufgabe an, exakt zu berechnen, wie ein solches Wurmloch das Licht beugen würde, während es über den Himmel zieht, wobei sie speziell Szenarien untersuchten, in denen sich das Wurmloch in unserer eigenen Galaxie befindet und Sterne im dichten zentralen Bulge der Milchstraße oder in der Großen Magellanschen Wolke, einer benachbarten Galaxie, lenset. Sie betrachteten nicht nur den einfachsten Fall; sie führten eine hochdetaillierte Berechnung des Lichtpfades durch und berücksichtigten dabei subtile Korrekturen, die wichtig werden, wenn das Licht sehr nah am Wurmloch vorbeizieht.

Die Studie zeigt einen klaren Unterschied zwischen Wurmlöchern, die Masse besitzen, und solchen, die keine haben. Für die massereichen Wurmlöcher, die im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen, ähneln die Lichtkurven – die Graphen, die zeigen, wie sich die Helligkeit eines Sterns über die Zeit verändert – verblüffend stark denen, die durch ein Schwarzes Loch erzeugt werden. Wenn das Wurmloch vor einem Stern vorbeizieht, hellt sich der Stern zu einem Maximum auf und verblasst dann in einer glatten, symmetrischen Kurve. Diese Ähnlichkeit besteht deshalb, weil die primäre Art und Weise, wie diese massereichen Objekte das Licht beugen, proportional zum Kehrwert der Distanz ist – ein Verhalten, das sie mit Schwarzen Löchern teilen. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass die spezifische Form des Wurmlochhalses und die Eigenschaften der darin befindlichen Phantommaterie einen schwachen Fingerabdruck hinterlassen. Durch die Analyse des präzisen Timings und der exakten Höhe des Helligkeitsmaximums ist es theoretisch möglich, ein massereiches Wurmloch von einem Schwarzen Loch zu unterscheiden, wenngleich der Unterschied subtil ist und sehr präzise Messungen erfordert.

Die Situation ändert sich dramatisch, wenn das Wurmloch keine Masse besitzt. In diesem masselosen Szenario ist das Verhalten des Lichts grundlegend anders. Anstatt eines glatten, einzelnen Helligkeitsmaximums entwickelt die Lichtkurve eine Senke oder ein Tal genau in dem Moment der größten Annäherung. Der Stern könnte aufhellen, dann kurzzeitig unter seine normale Helligkeit abfallen und dann wieder aufhellen. Diese „Rinne“ in der Lichtkurve ist eine einzigartige Signatur, die bei dem durch Schwarze Löcher oder massereiche Wurmlöcher verursachten Linseneffekt nicht auftritt. Die Forscher berechneten, dass diese Senke bei einem masselosen Wurmloch über einen sehr kurzen Zeitraum auftreten würde, der nur einen Bruchteil eines Tages dauert, während der massive Fall ein viel längeres Ereignis darstellt. Dieses markante Merkmal bietet eine potenzielle Möglichkeit, ein masseloses Wurmloch zu identifizieren, falls eines jemals entdeckt werden sollte, da kein Schwarzes Loch jemals eine solche Senke erzeugen würde.

Über die Form der Lichtkurve hinaus schätzte das Team auch, wie häufig diese Ereignisse auftreten könnten und wie wahrscheinlich es ist, sie zu entdecken. Sie nahmen an, dass diese Wurmlöcher an unsere Galaxie gebunden sind und im Halo der Dunklen Materie um uns herum driften. Mithilfe eines vereinfachten Modells berechneten sie die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Wurmloch vor einem Hintergrundstern vorbeizieht, sowie die Rate, mit der solche Ereignisse stattfinden würden. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Ereignisse zwar selten sind, aber mit aktuellen oder zukünftigen Durchmusterungen nicht unmöglich zu entdecken sind. Die Wahrscheinlichkeit, ein Ereignis zu beobachten, hängt stark von der Größe des Wurmlochhalses und den spezifischen Eigenschaften der Phantommaterie ab. Bei größeren Wurmlöchern steigt die Entdeckungswahrscheinlichkeit, dennoch bleiben die Ereignisse flüchtig. Die Forscher betonten, dass diese Zahlen illustrativ sind, um zu zeigen, wie die Wahrscheinlichkeit mit der Größe und dem Typ des Wurmlochs skaliert, und keine definitive Vorhersage darüber treffen, wie viele tatsächlich gefunden werden.

Die Arbeit unterstreicht, dass sich Wurmlöcher und Schwarze Löcher zwar gegenseitig imitieren können, aber keine identischen Zwillinge sind. Die hier untersuchten massereichen Wurmlöcher verhalten sich in der Art und Weise, wie sie Sterne aufhellen, sehr ähnlich wie Schwarze Löcher, aber die masselosen Versionen bieten eine völlig andere Signatur mit ihren charakteristischen Helligkeitseinbrüchen. Die Studie behauptet nicht, ein Wurmloch gefunden zu haben, noch beweist sie deren Existenz. Stattdessen liefert sie eine detaillierte Karte dessen, wonach man suchen muss. Sollten Astronomen jemals ein Mikrolinsenevent beobachten, das einen Helligkeitseinbruch zeigt oder eine Lichtkurve aufweist, die den spezifischen Vorhersagen für diese Phantom-Wurmlöcher entspricht, könnte dies der erste beobachtbare Beweis für diese exotischen Tunnel im Weltraum sein. Bis dahin geht die Suche weiter, geleitet von diesen theoretischen Blaupausen, die uns genau sagen, wie das Universum seine verborgensten Geheimnisse offenbaren könnte.