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⚛️ Allgemeine Relativitätstheorie

Search for Compact Binary Coalescences with Sub-solar Mass Components in Data from the Second Part of LIGO-Virgo-KAGRA's Fourth Observing Run

Diese Arbeit berichtet über eine Suche nach Gravitationswellen aus Verschmelzungen kompakter Binärsysteme mit Komponenten unterhalb der Sonnenmasse unter Verwendung von Daten aus dem zweiten Teil der vierten Beobachtungsperiode von LIGO-Virgo-KAGRA, wobei keine signifikanten Detektionen gefunden wurden, aber strenge Obergrenzen für Verschmelzungsraten etabliert wurden, die Szenarien für Dunkle Materie unter Beteiligung von primordialen und dissipativen Modellen Schwarzer Löcher einschränken.

Ursprüngliche Autoren: The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaboration, A. G. Abac, A. Abe, I. Abouelfettouh, F. Acernese, K. Ackley, A. Adam, S. Adhicary, D. Adhikari, R. X. Adhikari
Veröffentlicht 2026-10-15
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Ursprüngliche Autoren: The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaboration, A. G. Abac, A. Abe, I. Abouelfettouh, F. Acernese, K. Ackley, A. Adam, S. Adhicary, D. Adhikari, R. X. Adhikari, V. K. Adkins, S. Afroz, A. Agapito, D. Agarwal, M. Agathos, N. Aggarwal, S. Aggarwal, O. D. Aguiar, I. -L. Ahrend, L. Aiello, A. Ain, P. Ajith, T. Akutsu, L. Albers, W. Ali, S. Al-Kershi, C. Allan, C. Allene, A. Allocca, S. Al-Shammari, J. A. Alvarez, S. Alvarez-Lopez, W. Amar, O. Amarasinghe, A. Amato, F. Amicucci, C. Amra, A. B. Anand, C. Anand, A. Ananyeva, S. B. Anderson, W. G. Anderson, M. Andia, M. Ando, F. Andrade-Oliveira, M. Andrés-Carcasona, J. L. Andrey, T. Andrić, J. Anglin, J. Anna, J. M. Antelis, S. Antier, T. Aoki, M. Aoumi, E. Z. Appavuravther, E. A. Appelt, S. Appert, S. K. Apple, K. Arai, A. Araya, M. C. Araya, M. Arca Sedda, F. Arciprete, J. S. Areeda, N. Aritomi, F. Armato, S. Armstrong, N. Arnaud, M. Arogeti, S. M. Aronson, G. Ashton, Y. Aso, L. 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Dartez, R. Das, S. Das, A. Dasgupta, V. Dattilo, A. Daumas, I. Dave, A. Davenport, T. F. Davies, D. Davis, M. C. Davis, P. Davis, E. J. Daw, M. Dax, J. De Bolle, E. deBruin, M. Deenadayalan, J. Degallaix, U. Deka, M. De Laurentis, C. J. Delgado Mendez, F. De Lillo, S. Della Torre, W. Del Pozzo, O. M. del Rio, A. Demagny, F. De Marco, G. Demasi, F. De Matteis, C. de Melo, N. Demos, T. Dent, A. Depasse, N. DePergola, R. De Pietri, R. De Rosa, C. De Rossi, E. K. Derrick, M. Desai, D. DeSantis, S. Deshmukh, V. Deshmukh, R. De Simone, S. Determan, S. Dhage, A. Dhani, R. Dhatri, R. Dhurkunde, R. Diab, C. Diaz, M. C. Díaz, F. Diaz Guerra, M. Di Cesare, M. A. Dicorato, T. Dietrich, C. Di Fronzo, M. Di Giovanni, D. Diksha, J. Ding, S. Di Pace, I. Di Palma, D. Di Piero, F. Di Renzo, Divyajyoti, A. Dmitriev, J. P. Docherty, Z. Doctor, N. Doerksen, E. Dohmen, A. Doke, A. Domiciano De Souza, L. D'Onofrio, F. Donovan, K. L. Dooley, S. Doravari, O. Dorosh, F. Dosopoulou, M. Drago, J. C. Driggers, M. Dubois, R. S. Dumbreck, U. Dupletsa, D. D'Urso, P. Dutta Roy, H. Duval, S. Dwivedi, S. E. Dwyer, C. Eassa, M. Eberhardt, M. Ebersold, M. Ebiri, G. Eddolls, A. Effler, J. Eichholz, H. Einsle, M. Eisenmann, M. Emma, K. Endo, R. Enficiaud, V. Ernst, L. Errico, R. Espinosa, M. Esposito, R. C. Essick, H. Estellés, T. Etzel, M. Evans, T. Evstafyeva, J. M. Ezquiaga, F. Fabrizi, V. Fafone, S. Fairhurst, X. Fan, A. M. Farah, B. Farr, W. M. Farr, M. Favata, M. Fays, M. Fazio, J. Feicht, M. M. Fejer, J. -N. Feldhusen, E. Fenyvesi, A. Feo, J. Fernandes, T. Fernandes, G. Fernández Rodríguez, D. Fernando, S. Ferraiuolo, T. A. Ferreira, M. Ferrer-Martinez, F. Fidecaro, P. Figura, I. Fiori, M. Fishbach, R. P. Fisher, S. K. Fitzgerald, V. Fiumara, R. Flaminio, B. Flanagan, S. M. Fleischer, L. S. Fleming, F. Flocco, E. Floden, H. Fong, J. A. Font, F. Fontinele-Nunes, C. Foo, B. Fornal, P. W. F. Forsyth, A. Fragkos, N. Franchini, A. Franco-Ordovas, F. Frappez, F. Frasconi, J. P. Freed, Z. Frei, A. 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Sharma, A. K. Sharma, Preeti Sharma, Priyanka Sharma, Sushant Sharma-Chaudhary, P. Shawhan, T. Shen, Z. -H. Shi, K. Shimode, H. Shinkai, S. Shirke, D. H. Shoemaker, D. M. Shoemaker, R. W. Short, S. ShyamSundar, H. Siegel, V. Sierra, D. Sigg, L. Silenzi, P. J. S. Silva, L. Silvestri, M. Simmonds, L. P. Singer, A. Singh, D. Singh, M. K. Singh, N. Singh, S. Singh, M. R. Sinha, P. Sinha, A. M. Sintes, V. Skliris, B. J. J. Slagmolen, T. J. Slaven-Blair, J. Smetana, D. A. Smith, J. R. Smith, J. Smith, L. Smith, W. J. Smith, S. Soares de Albuquerque Filho, M. Soares-Santos, K. Somiya, I. Song, Q. Song, S. Soni, V. Sordini, F. Sorrentino, H. Sotani, N. E. Sovitzky, F. Spada, V. Spagnuolo, A. P. Spencer, M. Spera, P. Spinicelli, A. K. Srivastava, F. Stachurski, V. V. Stanford, A. Stanton, D. A. Steer, N. Steinle, J. Steinlechner, S. Steinlechner, C. Stephens, N. Stergioulas, M. StPierre, J. Stremiz, M. D. Strong, A. Strunk, M. Suchenek, S. Sudhagar, R. Sugimoto, L. Suleiman, K. D. Sullivan, J. 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Trovato, L. Trozzo, R. J. Trudeau, T. Tsang, S. Tsuchida, K. Tsuji, L. Tsukada, A. Tuci, M. Turconi, C. Turski, H. Ubach, A. S. Ubhi, N. Uchikata, T. Uchiyama, R. P. Udall, T. Uehara, V. Undheim, V. Upadhyaya, L. E. Uronen, T. Ushiba, M. Vacatello, H. Vahlbruch, G. Vajente, J. Valencia, M. Valentini, E. Vallejo-Pagès, S. A. Vallejo-Peña, S. Vallero, M. van Dael, E. Van den Bossche, J. F. J. van den Brand, C. Van Den Broeck, M. van der Kolk, M. van der Sluys, A. Van de Walle, J. van Dongen, K. Vandra, M. VanDyke, H. van Haevermaet, J. V. van Heijningen, P. Van Hove, J. Vanier, J. Vanosky, N. van Remortel, M. Vardaro, A. F. Vargas, V. Varma, A. Vecchio, G. Vedovato, J. Veitch, P. J. Veitch, S. Venikoudis, P. Verdier, M. Vereecken, D. Verkindt, B. Verma, S. Verma, Y. Verma, S. M. Vermeulen, F. Vetrano, A. Veutro, A. Viceré, S. Vidyant, A. D. Viets, A. Vijaykumar, A. Vilkha, N. Villanueva Espinosa, E. T. Vincent, J. -Y. Vinet, S. Viret, S. Vitale, A. Vives, L. Vizmeg, B. Vizzone, H. Vocca, D. Voigt, E. R. G. von Reis, J. S. A. von Wrangel, W. E. Vossius, L. Vujeva, S. P. Vyatchanin, J. Wack, L. E. Wade, M. Wade, K. J. Wagner, L. Wallace, R. -Z. Wan, H. Wang, P. Wang, W. H. Wang, Y. F. Wang, Z. Wang, R. L. Ward, J. Warner, M. Was, T. Washimi, N. Y. Washington, D. Watarai, B. Weaver, S. A. Webster, N. L. Weickhardt, M. Weinert, A. J. Weinstein, R. Weiss, L. Wen, K. Wette, C. Wheeler, J. T. Whelan, B. F. Whiting, E. G. Wickens, D. Wilken, B. M. Williams, D. Williams, M. J. Williams, N. S. Williams, J. L. Willis, B. Willke, M. Wils, L. Wimmer, C. W. Winborn, A. Wingfield, J. Winterflood, C. C. Wipf, G. Woan, N. E. Wolfe, H. T. Wong, I. C. F. Wong, T. Wouters, J. L. Wright, M. Wright, B. Wu, C. Wu, D. S. Wu, H. Wu, K. Wu, T. Wu, Z. Wu, E. Wuchner, D. M. Wysocki, V. A. Xu, Y. Xu, N. Yadav, H. Yamamoto, K. Yamamoto, T. S. Yamamoto, T. Yamamoto, R. Yamazaki, T. Yan, H. Yang, K. Z. Yang, Y. Yang, Z. Yarbrough, J. Yébana Carrilero, A. B. Yelikar, X. Yin, J. Yokoyama, T. Yokozawa, M. Yoshihara, S. Yuan, H. Yuzurihara, M. Zanatta, M. Zanolin, M. Zeeshan, T. Zelenova, J. -P. Zendri, M. Zeoli, M. Zerrad, M. Zevin, H. Zhang, J. Zhang, L. Zhang, N. Zhang, R. Zhang, T. Zhang, C. Zhao, J. Zhao, Yue Zhao, Yuhang Zhao, L. -M. Zheng, Y. Zheng, L. Zhizhong, H. Zhong, H. Zhou, H. O. Zhu, X. -J. Zhu, Z. -H. Zhu, Z. Zhu, D. Z. Zieba, A. B. Zimmerman, L. Zimmermann, M. E. Zucker

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Die Gravitation ist der unsichtbare Faden, der das Universum zusammenhält und sich über die gewaltige Leere zwischen den Sternen und Galaxien erstreckt. Seit Jahrzehnten hören Wissenschaftler auf die Wellen, die diese Kraft erzeugt, wenn massive Objekte kollidieren – ein Phänomen, das als Gravitationswellen bekannt ist. Diese Wellen tragen Geschichten von den gewaltsamsten Ereignissen im Kosmos in sich, wie etwa dem Aufprall von Schwarzen Löchern oder der Verschmelzung von Neutronensternen, den dichten Überresten toter Sterne. Während wir bereits die tiefen, schweren Schläge von stellaren Schwarzen Löchern gehört haben, bleibt eine stille Frage über die Existenz viel leichterer Objekte bestehen. Könnte es Schwarze Löcher oder Neutronensterne geben, die weniger wiegen als unsere Sonne? Solche „subsolaren“ Objekte könnten durch den normalen Tod eines Sterns unmöglich entstehen, da dieser typischerweise einen schweren Kern hinterlässt. Sollten sie existieren, könnten sie etwas völlig Exotisches sein, vielleicht entstanden in den ersten Momenten nach dem Urknall oder erschaffen durch eine mysteriöse Form von Materie, die nicht mit Licht interagiert. Sie zu finden, würde unser Verständnis davon, wie das Universum aufgebaut ist und was Dunkle Materie – die unsichtbare Substanz, die Galaxien zusammenhält – tatsächlich sein könnte, umschreiben.

Um diese Frage zu beantworten, nutzte ein globales Team von Wissenschaftlern die empfindlichsten Ohren der Geschichte: die Detektoren LIGO, Virgo und KAGRA. Diese Instrumente, die sich in den USA, Italien und Japan befinden, sind darauf ausgelegt, die winzigen Verzerrungen in der Raumzeit zu erfassen, die durch vorbeiziehende Gravitationswellen verursacht werden. Die Forscher konzentrierten ihre Suche auf einen spezifischen Zeitraum, von April 2024 bis Januar 2025, und analysierten Daten, die während des zweiten Teils des vierten großen Beobachtungsdurchlaufs der Kollaboration gesammelt wurden. Sie suchten nach Signalen aus Doppelsternsystemen – Paaren kompakter Objekte, die umeinander spiralisieren – bei denen mindestens eines der Objekte weniger als die Sonne wog. Ihre Suche deckte ein breites Spektrum an Möglichkeiten ab und suchte nach Paaren, bei denen das leichtere Objekt zwischen 0,2 und 1 Sonnenmassen wog und der schwerere Partner zwischen 0,2 und 10 Sonnenmassen lag.

Das Team setzte drei verschiedene, unabhängige Computerprogramme ein, um die Daten zu durchsieben, wobei jedes Programm wie ein eigenständiger Filter fungierte, um etwaige im Hintergrundrauschen verborgene Signale einzufangen. Diese Programme verglichen die Detektordaten mit Millionen theoretischer Wellenmuster und suchten nach einer Übereinstimmung, die auf ein echtes kosmisches Ereignis hindeuten würde. Das Ergebnis war ein sauberer Schnitt: keine bestätigten Detektionen dieser leichten Verschmelzungen. Obwohl die Computer einige ungewöhnliche Kandidaten markierten, die aus dem üblichen Rauschen hervorstachen, ergaben weitere Untersuchungen, dass dies keine Signale aus dem Weltraum waren. Stattdessen waren sie konsistent mit zufälligen Fluktuationen in den Detektoren oder Umgebungslärm. Der signifikanteste dieser Fehlalarme, der von zwei der Programme identifiziert wurde, erreichte nicht das Niveau an Gewissheit, das es den Wissenschaftlern erlaubt hätte, eine Entdeckung zu beanspruchen. In der Welt der Gravitationswellen-Astronomie reicht ein einzelnes Ereignis nicht aus; das Signal muss stark genug sein, um die Möglichkeit auszuschließen, dass es sich um einen Zufall handelt, und diese Kandidaten blieben hinter diesem Schwellenwert zurück.

Obwohl sie nicht die Objekte fanden, nach denen sie suchten, war die Suche keineswegs ein Fehlschlag. Indem sie nichts fanden, war das Team in der Lage, strenge Grenzen für die Häufigkeit dieser Objekte zu setzen. Sie berechneten, dass, falls subsolare Schwarze Löcher existieren, diese unglaublich selten sein müssen. Konkret ermittelten sie, dass die Rate solcher Verschmelzungen im Universum nicht mehr als einige tausend Ereignisse pro Kubik-Milliarde Lichtjahre pro Jahr betragen kann, abhängig von der exakten Masse. Dieser Mangel an Detektionen ermöglicht es ihnen, enge Beschränkungen für zwei führende Theorien über Dunkle Materie festzulegen.

Die erste Theorie betrifft primordiale Schwarze Löcher, hypothetische Schwarze Löcher, die aus den dichten Klumpen des frühen Universums entstanden sind, statt aus sterbenden Sternen. Wenn diese Objekte einen signifikanten Teil der Dunklen Materie ausgemacht hätten, hätten die Detektoren ihre Kollisionen bis jetzt hören müssen. Die neuen Daten legen nahe, dass primordiale Schwarze Löcher nicht mehr als einen kleinen Bruchteil der Dunklen Materie im Universum erklären können, genauer gesagt weniger als etwa 3 Prozent für Objekte mit einer Masse ähnlich der Sonne, und noch weniger für leichtere Objekte. Die zweite Theorie betrifft „dissipative Dunkle Materie“, ein Modell, bei dem Dunkle-Materie-Teilchen auf komplexe Weise miteinander interagieren, ähnlich wie Gas abkühlt und kollabiert, um Sterne zu bilden. In diesem Szenario könnte die Dunkle Materie ihre eigene Version von Schwarzen Löchern bilden. Die Suchergebnisse deuten darauf hin, dass, falls solche dunklen Schwarzen Löcher existieren und die gesamte Dunkle Materie ausmachen, sie schwerer als eine bestimmte Mindestmasse sein müssen, was die leichtesten Versionen dieser Theorie effektiv ausschließt.

Die Studie erstreckte sich auch auf Neutronensterne, die ultra-dichten Kerne toter Sterne. Während Standard-Neutronensterne meist schwerer als die Sonne sind, legen einige Theorien nahe, dass unter spezifischen Bedingungen auch leichtere Versionen existieren könnten. Die Forscher simulierten, wie ihre Detektoren auf diese leichteren Neutronensterne reagieren würden, und fanden heraus, dass ihre Suche empfindlich genug war, um sie zu detektieren, falls sie häufig vorkommen würden. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Rate der Verschmelzungen unter Beteiligung dieser leichten Neutronensterne ebenfalls sehr gering ist, was eine Obergrenze von etwa 250 Ereignissen pro Kubik-Milliarde Lichtjahre pro Jahr festlegt. Diese Arbeit verengt nicht nur das Netz um exotische Theorien zur Dunklen Materie, sondern demonstriert auch die wachsende Leistungsfähigkeit des globalen Detektoren-Netzwerks. Während die Instrumente empfindlicher werden und die Beobachtungsperioden andauern, wird sich das Fenster in das subsolare Universum immer deutlicher öffnen und die Wissenschaftler entweder zur Entdeckung dieser schwer fassbaren Objekte führen oder die Tür zu ihrer Existenz endgültig schließen.

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