Wir könnten bald in der Lage sein, eine der umstrittensten Theorien von Stephen Hawking zu testen, legen neue Forschungsergebnisse nahe.
In den 1970er Jahren schlug Hawking vor, dass Dunkle Materie, die unsichtbare Substanz, aus der die meiste Materie im Kosmos besteht, kann bestehen aus Schwarze Löcher gebildet in den frühesten Momenten von der Urknall.
Nun haben drei Astronomen eine Theorie entwickelt, die nicht nur die Existenz der Dunklen Materie erklärt, sondern auch das Auftreten der größten Schwarzen Löcher im Universum.
„Was ich persönlich super spannend an dieser Idee finde, ist, wie sie die beiden wirklich herausfordernden Probleme, an denen ich arbeite – das der Erforschung der Natur der Dunklen Materie und der Entstehung und des Wachstums von Schwarzen Löchern – elegant vereint und sie auf einen Schlag löst. Mitautor der Studie Priyamvada Natarajan, Astrophysikerin an der Yale University, sagte in einer Erklärung. Darüber hinaus könnten mehrere neue Instrumente – darunter das gerade gestartete James Webb-Weltraumteleskop – Daten liefern, die erforderlich sind, um Hawkings berühmte Idee endgültig zu bewerten.
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Schwarze Löcher von Anfang an
Dunkle Materie macht über 80% der gesamten Materie im Universum aus, aber sie interagiert in keiner Weise direkt mit Licht. Es schwebt einfach herum, ist massiv und beeinflusst die Schwere innerhalb von Galaxien.
Es ist verlockend zu glauben, dass Schwarze Löcher für dieses schwer fassbare Zeug verantwortlich sein könnten. Schließlich sind Schwarze Löcher bekanntlich dunkel, so dass das Füllen einer Galaxie mit Schwarzen Löchern theoretisch alle Beobachtungen der Dunklen Materie erklären könnte.
Leider bilden sich im modernen Universum Schwarze Löcher erst, nachdem massereiche Sterne sterben und dann unter dem Gewicht ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Die Herstellung von Schwarzen Löchern erfordert also viele Sterne – was eine Menge normaler Materie erfordert.Wissenschaftler wissen aus Berechnungen des frühen Universums, wie viel normale Materie im Universum vorhanden ist, wo die erste Wasserstoff und Helium gebildet. Und es gibt einfach nicht genug normale Materie, um alle von Astronomen beobachteten Dunklen Materien zu erzeugen.
Schlafende Riesen
Hier kam Hawking ins Spiel. 1971 schlug er vor, dass sich Schwarze Löcher in der chaotischen Umgebung der frühesten Momente des Urknalls gebildet haben. Dort könnten Materietaschen spontan die erforderliche Dichte erreichen, um Schwarze Löcher zu erzeugen, und den Kosmos damit überfluten, lange bevor die ersten Sterne funkeln. Hawking vermutete, dass diese „ursprünglichen“ schwarzen Löcher für dunkle Materie verantwortlich sein könnten. Obwohl die Idee interessant war, konzentrierten sich die meisten Astrophysiker stattdessen darauf, ein neues subatomares Teilchen zu finden, um die Dunkle Materie zu erklären.
Darüber hinaus stießen Modelle der ursprünglichen Entstehung Schwarzer Löcher auf Beobachtungsprobleme. Wenn sich im frühen Universum zu viele bildeten, veränderten sie das Bild der übrig gebliebenen Strahlung aus dem frühen Universum, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) bekannt ist. Das bedeutete, dass die Theorie nur funktionierte, wenn die Anzahl und Größe der alten Schwarzen Löcher ziemlich begrenzt war oder sie mit den Messungen des CMB in Konflikt geraten würde. .
Die Idee wurde 2015 wiederbelebt, als das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory sein erstes Paar kollidierender Schwarzer Löcher fand. Die beiden Schwarzen Löcher waren viel größer als erwartet, und eine Möglichkeit, ihre große Masse zu erklären, bestand darin, zu sagen, dass sie sich im frühen Universum gebildet haben, nicht in den Herzen sterbender Sterne.
Eine einfache Lösung
In ihrer neuesten Forschung haben sich Natarajan, Nico Cappelluti von der University of Miami und Günther Hasinger von der European Space Agency tief in die Theorie der primordialen Schwarzen Löcher vertieft und untersucht, wie sie die Dunkle Materie erklären und möglicherweise andere kosmologische Herausforderungen lösen könnten.
Um aktuelle Beobachtungstests zu bestehen, müssen sich urzeitliche Schwarze Löcher in einem bestimmten Massenbereich befinden. In der neuen Arbeit gingen die Forscher davon aus, dass die urzeitlichen Schwarzen Löcher eine etwa 1,4-fache Masse der Sonne haben. Sie konstruierten ein Modell des Universums, das die gesamte dunkle Materie durch diese ziemlich hellen Schwarzen Löcher ersetzte, und suchten dann nach Beobachtungshinweisen, die das Modell bestätigen (oder ausschließen) könnten.
Das Team fand heraus, dass primordiale Schwarze Löcher eine wichtige Rolle im Universum spielen könnten, indem sie die ersten Sterne, die ersten Galaxien und die ersten supermassiven Schwarzen Löcher (SMBHs) aussäen. Beobachtungen deuten darauf hin, dass Sterne, Galaxien und SMBHs in der kosmologischen Geschichte sehr schnell auftauchen, vielleicht zu schnell, um durch die Entstehungs- und Wachstumsprozesse, die wir im heutigen Universum beobachten, berücksichtigt zu werden.
„Primordiale Schwarze Löcher, falls sie existieren, könnten durchaus die Keime sein, aus denen sich alle supermassereichen Schwarzen Löcher bilden, einschließlich desjenigen im Zentrum der Milchstraße“, sagte Natarajan.
Und die Theorie ist einfach und erfordert keinen Zoo neuer Teilchen, um die Dunkle Materie zu erklären.
“Unsere Studie zeigt, dass wir ohne Einführung neuer Teilchen oder neuer Physik die Geheimnisse der modernen Kosmologie von der Natur der Dunklen Materie selbst bis zum Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher lösen können”, sagte Cappelluti in der Erklärung.
Bisher ist diese Idee nur ein Modell, das aber relativ bald getestet werden könnte. Das James-Webb-Weltraumteleskop, das am Weihnachtstag nach jahrelangen Verzögerungen gestartet wurde, wurde speziell entwickelt, um Fragen zur Entstehung von Sternen und Galaxien zu beantworten. Und die nächste Generation von Gravitationswellen-Detektoren, insbesondere die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), ist bereit, viel mehr über Schwarze Löcher zu enthüllen, einschließlich ursprünglicher, falls sie existieren.
Zusammen sollten die beiden Observatorien Astronomen genügend Informationen liefern, um die Geschichte der ersten Sterne und möglicherweise die Entstehung der Dunklen Materie zusammenzufassen.
“Es war unwiderstehlich, diese Idee gründlich zu untersuchen, da sie wusste, dass sie das Potenzial hatte, ziemlich bald bestätigt zu werden”, sagte Natarajan.
Ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.