Das kommende Roman-Weltraumteleskop könnte eine neue Klasse „federleichter“ Schwarzer Löcher enthüllen und damit bestehende Theorien zur Entstehung Schwarzer Löcher in Frage stellen. Wenn diese Schwarzen Löcher mit Erdmasse entdeckt werden, könnten sie erhebliche Auswirkungen auf unser Wissen über das frühe Universum und die Natur der Dunklen Materie haben. Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center
NASANancy Grace von Römisches Weltraumteleskop könnte bisher unentdeckte „federleichte“ schwarze Löcher mit Massen ähnlich der Erde enthüllen. Diese primordialen schwarzen Löcher, die im frühen Universum entstanden, könnten unser Verständnis von Astronomie und Teilchenphysik erheblich beeinflussen und möglicherweise einen Teil der dunklen Materie im Universum erklären.
Astronomen haben Schwarze Löcher entdeckt, deren Masse von einigen Sonnenmassen bis zu mehreren zehn Milliarden reicht. Nun hat eine Gruppe von Wissenschaftlern vorhergesagt, dass das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA eine Klasse „federleichter“ Schwarzer Löcher finden könnte, die sich bisher unserer Entdeckung entzogen hat.
Heutzutage entstehen Schwarze Löcher entweder beim Kollaps eines massereichen Sterns oder bei der Verschmelzung schwerer Objekte. Wissenschaftler vermuten jedoch, dass kleinere „primordiale“ Schwarze Löcher, darunter einige mit Massen ähnlich der Erde, in den ersten chaotischen Momenten des frühen Universums entstanden sein könnten.
„Die Entdeckung einer Population primordialer Schwarzer Löcher mit der Masse der Erde wäre ein unglaublicher Fortschritt sowohl für die Astronomie als auch für die Teilchenphysik, da diese Objekte durch keinen bekannten physikalischen Prozess entstehen können“, sagte William DeRocco, ein Postdoktorand an der University of California Santa Cruz, der eine Studie darüber leitete, wie Roman sie entdecken könnte. Ein Artikel, der die Ergebnisse beschreibt, wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung D„Wenn wir sie finden, wird das das Feld der theoretischen Physik erschüttern.“
Die Entdeckung erdgroßer primordialer Schwarzer Löcher mit dem Roman Space Telescope der NASA könnte unser Verständnis des Universums und der Dunklen Materie grundlegend verändern. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Rezept für ein primordiales schwarzes Loch
Die kleinsten Schwarzen Löcher, die sich heutzutage bilden, entstehen, wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht. Sein äußerer Druck nimmt ab, wenn die Kernfusion nachlässt, sodass die nach innen gerichtete Gravitationskraft das Tauziehen gewinnt. Der Stern zieht sich zusammen und kann so dicht werden, dass er zu einem schwarzes Loch.
Allerdings ist eine Mindestmasse erforderlich: mindestens das Achtfache unserer Sonne. Leichtere Sterne werden entweder zu weißen Zwergen oder Neutronensternen.
Die Bedingungen im frühen Universum könnten jedoch die Entstehung weitaus leichterer Schwarzer Löcher ermöglicht haben. Ein Schwarzes Loch mit der Masse der Erde hätte einen Ereignishorizont – den Punkt ohne Umkehr für einfallende Objekte – der etwa so breit ist wie eine US-Centmünze.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Universum bei seiner Entstehung eine kurze, aber intensive Phase durchlief, die als Inflation bezeichnet wird und in der sich der Raum schneller ausdehnte als mit Lichtgeschwindigkeit. Unter diesen besonderen Bedingungen könnten Bereiche, die dichter als ihre Umgebung waren, kollabiert sein und primordiale Schwarze Löcher mit geringer Masse gebildet haben.
Während die Theorie vorhersagt, dass die kleinsten Astronomen verdunsten müssten, bevor das Universum sein derzeitiges Alter erreicht hätte, könnten Astronomen mit einer Masse ähnlich der Erde überlebt haben.
Die Entdeckung dieser winzigen Objekte hätte enorme Auswirkungen auf die Physik und Astronomie.
„Es würde alles beeinflussen, von der Galaxienbildung über den Dunkle-Materie-Gehalt des Universums bis hin zur kosmischen Geschichte“, sagte Kailash Sahu, ein Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore, der nicht an der Studie beteiligt war. „Die Bestätigung ihrer Identität wird harte Arbeit sein und die Astronomen werden viel Überzeugungsarbeit leisten müssen, aber es wäre die Mühe wert.“
Stephen Hawking stellte die Theorie auf, dass Schwarze Löcher langsam schrumpfen können, wenn Strahlung entweicht. Das langsame Austreten der heute als Hawking-Strahlung bekannten Strahlung würde im Laufe der Zeit dazu führen, dass das Schwarze Loch einfach verdunstet. Diese Infografik zeigt die geschätzten Lebensdauern und den Ereignishorizont – den Punkt, ab dem einfallende Objekte der Gravitationskraft eines Schwarzen Lochs nicht mehr entkommen können – Durchmesser für Schwarze Löcher mit unterschiedlich geringer Masse. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Hinweise auf versteckte Siedler
Beobachtungen haben bereits Hinweise darauf ergeben, dass solche Objekte in unserer Galaxie lauern könnten. Ursprüngliche Schwarze Löcher wären unsichtbar, aber Falten in der Raumzeit haben geholfen, einige mögliche Verdächtige aufzuspüren.
Mikrolinseneffekt ist ein Beobachtungseffekt, der auftritt, weil die Anwesenheit von Masse das Gefüge von Raum und Zeit verzerrt, ähnlich dem Abdruck, den eine Bowlingkugel hinterlässt, wenn sie auf ein Trampolin fällt. Immer wenn ein dazwischenliegendes Objekt von unserem Standpunkt aus in die Nähe eines Hintergrundsterns zu driften scheint, muss das Licht des Sterns die verzerrte Raumzeit um das Objekt herum durchqueren. Wenn die Ausrichtung besonders eng ist, kann das Objekt wie eine natürliche Linse wirken und das Licht des Hintergrundsterns fokussieren und verstärken.
Verschiedene Astronomengruppen haben mithilfe von Daten von MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – einer Kooperation, die Mikrolinsenbeobachtungen mithilfe des Mount John University Observatory in Neuseeland durchführt – und OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) eine unerwartet große Population isolierter Objekte mit der Masse der Erde entdeckt.
Theorien zur Planetenentstehung und -entwicklung sagen bestimmte Massen und Häufigkeiten von Schurkenplaneten voraus – Welten, die ohne Bindung an einen Stern durch die Galaxie streifen. Die Beobachtungen von MOA und OGLE legen nahe, dass mehr Objekte mit der Masse der Erde durch die Galaxie treiben, als die Modelle vorhersagen.
Dieses künstlerische Konzept verfolgt einen phantasievollen Ansatz bei der Vorstellung kleiner ursprünglicher Schwarzer Löcher. In Wirklichkeit hätten solche winzigen Schwarzen Löcher Schwierigkeiten, die Akkretionsscheiben zu bilden, die sie hier sichtbar machen. Bildnachweis: NASAs Goddard Space Flight Center
„Es gibt keine Möglichkeit, von Fall zu Fall zwischen schwarzen Löchern mit Erdmasse und Schurkenplaneten zu unterscheiden“, sagte DeRocco. Aber Wissenschaftler erwarten, dass Roman zehnmal so viele Objekte in diesem Massenbereich finden wird wie erdgebundene Teleskope. „Roman wird extrem leistungsfähig sein, um statistisch zwischen den beiden zu unterscheiden.“
DeRocco leitete ein Projekt, das ermitteln sollte, wie viele Schurkenplaneten in diesem Massenbereich liegen sollten und wie viele primordiale schwarze Löcher Roman unter ihnen erkennen konnte.
Die Entdeckung primordialer Schwarzer Löcher würde neue Erkenntnisse über das frühe Universum liefern und würde stark darauf hinweisen, dass es tatsächlich eine frühe Periode der Inflation gab. Sie könnte auch einen kleinen Prozentsatz der mysteriösen dunklen Materie erklären, die laut Wissenschaftlern den Großteil der Masse unseres Universums ausmacht, die sie bisher jedoch nicht identifizieren konnten.
„Dies ist ein spannendes Beispiel dafür, was zusätzliche Wissenschaftler mit den Daten machen könnten, die Roman bereits bei der Suche nach Planeten erhält“, sagte Sahu. „Und die Ergebnisse sind interessant, egal ob Wissenschaftler Beweise dafür finden, dass schwarze Löcher mit Erdmasse existieren oder nicht. In jedem Fall würde es unser Verständnis des Universums stärken.“
Referenz: „Entdeckung primordialer Schwarzer Löcher mit terrestrischer Masse mit dem Nancy Grace Roman Space Telescope“ von William DeRocco, Evan Frangipane, Nick Hamer, Stefano Profumo und Nolan Smyth, 8. Januar 2024, Körperliche Überprüfung D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.023013
Das Nancy Grace Roman Space Telescope wird vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, betrieben. An dem Projekt sind das Jet Propulsion Laboratory und Caltech/IPAC der NASA in Südkalifornien, das Space Telescope Science Institute in Baltimore sowie ein Wissenschaftsteam aus Wissenschaftlern verschiedener Forschungseinrichtungen beteiligt. Die wichtigsten Industriepartner sind BAE Systems, Inc. in Boulder, Colorado; L3Harris Technologies in Rochester, New York; und Teledyne Scientific & Imaging in Thousand Oaks, Kalifornien.