Wenn es darum geht, dass urzeitliche Schwarze Löcher als Verdächtige der Dunklen Materie gelten, könnte ihr Alibi scheitern. Winzige Schwarze Löcher, die Sekunden nach der Geburt des Universums entstanden sind, könnten länger überleben als erwartet, was den Verdacht erneut aufkommen lässt, dass urzeitliche Schwarze Löcher für Dunkle Materie, den mysteriösesten Stoff des Universums, verantwortlich sein könnten.
Dunkle Materie stellt derzeit eines der drängendsten Probleme der Physik dar. Denn obwohl sie schätzungsweise 85 % der Materie im Kosmos ausmacht, bleibt dunkle Materie für unsere Augen praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert.
Da die Teilchen, aus denen Atome bestehen, aus denen „alltägliche“ Dinge bestehen, die wir sehen können, wie Sterne, Planeten und unser eigener Körper, offensichtlich mit Licht interagieren, hat dies die Suche nach Teilchen der Dunklen Materie außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik ausgelöst. Viele Wissenschaftler glauben, dass die Antwort immer noch im Standardmodell liegen könnte. Wenn wir jedoch einen winzigen Verwandten kosmischer Objekte betrachten, die wir normalerweise als enorm massiv und sogar monströs betrachten: Schwarze Löcher.
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Der Max-Planck-Institutswissenschaftler Valentin Thoss und Ana Fernandes Alexandre von der Universität Lissabon sind zwei Forscher, die kürzlich an solchen Studien beteiligt waren. Sie gehen davon aus, dass winzige Schwarze Löcher, die vor über 13,8 Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall, entstanden sind und nicht größer als ein Proton sind, sich zu Verdächtigen für Dunkle Materie zusammenballen könnten, ohne dass neue Physik erforderlich wäre.
Eine kürzliche Änderung der Denkweise darüber, wie Schwarze Löcher „verdampfen“, hat nicht nur zu einer Neubewertung der Lebensfähigkeit ursprünglicher Schwarzer Löcher geführt, wie vermutet wird. Da die Suche nach einem Teilchen der Dunklen Materie weiterhin größtenteils ins Leere läuft, könnten mehr Forscher damit beginnen Schauen Sie sich die Theorie der ursprünglichen Dunklen Materie des Schwarzen Lochs genauer an.
Was sind ursprüngliche Schwarze Löcher?
„Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei ‚ursprünglichen Schwarzen Löchern‘ um eine Art Schwarzes Loch, das am Anfang des Universums entsteht“, sagte Thoss gegenüber Space.com. „Tatsächlich innerhalb des ersten Sekundenbruchteils des Universums.“
Er erklärte, dass alle Strukturen, die wir im Universum beobachten, von Superhaufen von Galaxien bis hin zu den Galaxien in sich selbst, aus leichten Überdichten im Raum entstanden sind, die während des frühen Universums vorhanden waren. Wenn das frühe Universum viel stärkere Dichteschwankungen erfahren hätte als diejenigen, die diese Strukturen erzeugt haben, und diese Schwankungen früher zusammengebrochen wären, als sich tatsächlich Galaxien gebildet hätten, dann könnten diese übermäßig dichten Flecken die Entstehung ursprünglicher Schwarzer Löcher vorangetrieben haben.
Thoss fügte hinzu, dass diese ursprünglichen Schwarzen Löcher abhängig vom Zeitpunkt, zu dem dieser Zusammenbruch stattgefunden haben könnte, und vom Ausmaß des Zusammenbruchs sehr unterschiedliche Massen hätten. Die ursprünglichen Schwarzen Löcher, die Thoss und Fernandes Alexandre als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie betrachteten, hätten Massen zwischen einigen und tausend Tonnen, um genau zu sein, was weniger als die Masse eines Planeten und eher in der Kategorie eines kleinen Asteroiden liegt.
Wenn man bedenkt, dass die kleinsten Schwarzen Löcher, die Wissenschaftler bisher entdeckt haben, sogenannte Schwarze Löcher mit Sternmasse, Massen haben, die dem 3- bis 50-fachen der Sonnenmasse entsprechen – was wiederum 2,2 mal 10 hoch 27 (22 gefolgt von 26) entspricht Nullen) Tonnen – diese ursprünglichen Schwarzen Löcher sind unglaublich klein.
Wie ihre größeren Gegenstücke zu Schwarzen Löchern, die entweder durch den Kollaps massereicher Sterne oder durch die Verschmelzung relativ kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sind, hätten ursprüngliche Schwarze Löcher laut Fernandes Alexandre eine lichteinfangende äußere Grenze, die als Ereignishorizont bezeichnet wird. Der Durchmesser dieses Horizonts wird durch die Masse des Schwarzen Lochs bestimmt, was bedeutet, dass der Ereignishorizont in diesen Fällen unglaublich klein wäre. „Kleiner als der Radius eines Protons“, sagte Fernandes Alexandre.
Kleine, ursprüngliche Schwarze Löcher wurden bisher als Kandidaten für Dunkle Materie ausgeschlossen, da angenommen wird, dass alle Schwarzen Löcher eine Art Wärmestrahlung „aussickern“ lassen, die erstmals 1974 von Stephen Hawking theoretisiert und später „Hawking-Strahlung“ genannt wurde.
Je kleiner ein Schwarzes Loch ist, desto schneller sollte es Hawking-Strahlung austreten lassen und desto schneller sollte es verdampfen. Das heißt, wenn es jemals urzeitliche Schwarze Löcher gegeben hätte, dürften die kleinsten Exemplare heute nicht mehr vorhanden sein – dunkle Materie existiert jedoch eindeutig.
„Ursprüngliche Schwarze Löcher mit den Massen, die Ana und ich jetzt in Betracht ziehen, galten bisher im Wesentlichen als ausgeschlossen, da angenommen wurde, dass sie zu diesem Zeitpunkt im Universum vollständig verdampft waren“, sagte Thoss.
Jüngste Arbeiten von Giorgi Dvali, einem theoretischen Physiker an der Universität München, der mit Thoss und Fernandes Alexandre zusammengearbeitet hat, legen jedoch nahe, dass der Verdunstungsprozess an einem bestimmten Punkt zusammenbricht. Dies bedeutet, dass ursprüngliche Schwarze Löcher mit den von den Wissenschaftlern angenommenen Massen einen halbstabilen Zustand erreichen könnten.
„Um seine Masse durch die Emission von Hawking-Strahlung zu verringern, muss das Schwarze Loch seine Informationen oder etwas anderes „umschreiben“. Dieser Umschreibungsprozess braucht Zeit“, erklärte Fernandes Alexandre. „Man nennt es ‚Gedächtnisbelastung‘, weil diese Erinnerung nun an etwas anderes weitergegeben werden muss, und das verlangsamt den Verdunstungsprozess insgesamt nur irgendwie. Es ist also eine Art Stabilisierung.“
Und dieser „Rettungsmechanismus“ bedeutet, dass urzeitliche Schwarze Löcher wieder als potenzielle Kandidaten für Dunkle Materie gelten!
Ein echter Hinweis auf dunkle Materie?
Die Tatsache, dass im heutigen Universum urzeitliche Schwarze Löcher existieren könnten, bedeutet jedoch nicht sofort, dass man sie als Verdächtige der Dunklen Materie betrachten sollte. Tatsächlich gibt es noch andere Gründe, diese winzigen hypothetischen Schwarzen Löcher mit dem mysteriösen Materiegehalt des Universums in Verbindung zu bringen.
Der vielleicht offensichtlichste Zusammenhang ist die mangelnde Wechselwirkung der Dunklen Materie mit Licht. Dunkle Materie emittiert oder reflektiert kein Licht, und der Ereignishorizont, der alle Schwarzen Löcher begrenzt, stellt den Punkt dar, an dem die zu seiner Durchquerung erforderliche Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Das bedeutet, dass ursprüngliche Schwarze Löcher das gesamte einfallende Licht „einfangen“, was zu einem offensichtlichen Mangel an Wechselwirkungen führen würde.
„Wenn sie hell genug sind, verhalten sich ursprüngliche Schwarze Löcher irgendwo in der Nähe einer Planetenmasse für alle Zwecke, die uns interessieren, wie Teilchen dunkler Materie“, sagte Thoss. „Dunkle Materie ist in Standardmodellen ‚kollisionsfrei‘, daher interagieren die Teilchen der dunklen Materie nicht in einem solchen Ausmaß miteinander, dass dies Auswirkungen auf das Universum hätte.“
Er fügte hinzu, dass, wenn ursprüngliche Schwarze Löcher leichter als Planetenmassen wären, sie selbst auf kosmischen Zeitskalen so klein wären, dass sie nur sehr selten kollidieren würden. Diese ursprünglichen Schwarzen Löcher könnten sich eher zusammenballen, um die Gravitationseffekte zu erzeugen, die wir derzeit der Dunklen Materie zuschreiben, wie etwa den Gravitationseinfluss, der verhindert, dass schnell rotierende Galaxien auseinanderfliegen.
Doch wenn sich ursprüngliche Schwarze Löcher zusammenballen müssten, um die Auswirkungen der Dunklen Materie zu erklären, was würde diese Schwarzen Löcher dann daran hindern, sich zusammenzuschließen und zu größeren Schwarzen Löchern zu verschmelzen? Würde aus einer Ansammlung winziger Schwarzer Löcher nicht irgendwann nur noch ein gewaltiges Schwarzes Loch werden? Thoss sagte, dies sei untersucht worden und die Antwort sei einfach: „Nein.“
„Selbst wenn man die Clusterbildung berücksichtigt, sind die Zeitskalen für die Verschmelzung so lang, dass sie im gesamten Alter des Universums nur zu wirklich massereichen Schwarzen Löchern verschmelzen würden“, fuhr er fort.
Thoss fügte hinzu, dass das Schöne an der Verwendung urzeitlicher Schwarzer Löcher als Erklärung für Dunkle Materie darin besteht, dass urzeitliche Schwarze Löcher im Gegensatz zur Annahme eines hypothetischen Teilchens wie eines Axions zur Erklärung des Rätsels keiner Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik bedürfen. die beste Erklärung, die wir für das Universum auf subatomarer Ebene haben.
Dennoch wird es unglaublich schwierig sein, urzeitliche Schwarze Löcher als Dunkle Materie zu bestätigen, wenn sie das Phänomen wirklich erklären. Auch hier gilt, dass sie aufgrund ihrer lichteinfangenden Natur praktisch unsichtbar sind. Außerdem haben sie bei so geringer Größe nicht die gleiche enorme Gravitationswirkung wie ihre stellaren und supermassiven Brüder.
Selbst dann, sollte eine Ansammlung ursprünglicher Schwarzer Löcher entdeckt werden, gibt es keine wirkliche Möglichkeit, den Unterschied zwischen vielen kleinen Schwarzen Löchern und einem großen Schwarzen Loch zu erkennen.
Trotz dieser Schwierigkeit wollen Thoss und Fernandes Alexandre am Schweif urzeitlicher Schwarzer Löcher bleiben – zumindest theoretisch. Wenn sich Teilchenkandidaten für Dunkle Materie weiterhin nicht manifestieren, besteht die Antwort vielleicht darin, mehr Physiker dazu zu bringen, über die metaphorische Grenze zwischen Teilchenphysik und Kosmologie zu blicken.
„Ich würde nicht sagen, dass urzeitliche Schwarze Löcher jemals als Kandidaten für die Dunkle Materie abgetan wurden; sie wurden jedoch eine Zeit lang ignoriert“, sagte Fernandes Alexandre. „Angesichts der Tatsache, dass wir keine wirkliche Entdeckung von Teilchen dunkler Materie haben, denke ich, dass es immer relevanter wird, diese Option in Betracht zu ziehen.“