Ein Schwarzes Loch könnte die Erde durchquert haben, aber wir haben es bisher nicht gesehen

Glauben Sie, dass schwarze Löcher weit weg von unserem Leben sind? Doch die erfolglose Suche nach dunkler Materie hat einige Physiker zu der Annahme geführt, dass schwarze Löcher die Erde durchquert haben, wir sie aber noch nicht entdeckt haben.

Gewöhnliche Schwarze Löcher entstehen, wenn einem Stern der Kernbrennstoff ausgeht. Die Masse der auf diese Weise entstehenden Schwarzen Löcher ist im Allgemeinen größer als die der Sonne. Wenn ein Schwarzes Loch, das schwerer als die Sonne ist, die Erde durchdringt, wird nicht nur die Erde, sondern die Umlaufbahn des gesamten Sonnensystems dadurch gestört. Die Auswirkungen werden mit den „Lichtteilchen“ im „Dreikörperproblem“ vergleichbar sein. Es ist für den Menschen unmöglich, es nicht zu bemerken. Wenn er es nicht entdeckt, kann es nur daran liegen, dass die menschliche Zivilisation bereits zerstört wurde, bevor ein solches Schwarzes Loch entdeckt wurde.

Schwarzes Loch Fantasie (Bildquelle: pixabay)

Ursprüngliches Schwarzes Loch

Doch ein kürzlich in Physics of the Dark Universe veröffentlichter Artikel richtete seine Aufmerksamkeit auf eine andere Art von Schwarzen Löchern, das primordiale Schwarze Loch. Bei diesem Typ Schwarzen Loch handelt es sich um ein kleines Schwarzes Loch, das durch lokale Dichteschwankungen während des Urknalls entstanden ist. Die Masse eines solchen Schwarzen Lochs entspricht möglicherweise nur der eines Asteroiden und sein Volumen hat nur die Größe eines Atoms. Wir können ein solches Schwarzes Loch nicht beobachten, aber es wird Gravitationseffekte auf die Außenseite haben und ist außerdem ein möglicher Bestandteil der Dunklen Materie.

Die Studie geht davon aus, dass, wenn es im Universum tatsächlich primordiale Schwarze Löcher gibt, diese möglicherweise einige hohle Asteroiden im Universum hervorbringen oder gerade und schmale Tunnel im urzeitlichen Gestein der Erde hinterlassen. Wir können diese Phänomene nutzen, um nach primordialen Schwarzen Löchern zu suchen.

Schematische Darstellung des primordialen Schwarzen Lochs (Bildquelle: NASA)

Ursprüngliche Schwarze Löcher von der Größe eines Atoms könnten von Asteroiden eingefangen werden. Wenn der Kern des Asteroiden aus Lava besteht, kann folgende Situation eintreten: Die Lava im Zentrum des Asteroiden wird von dem ursprünglichen Schwarzen Loch im Kern verschluckt, und die äußere Gesteinshülle ist fest und widersteht der Tendenz der Schwerkraft, nach innen zu kollabieren, aus eigener Kraft. Schließlich wird der Asteroid zu einem hohlen Asteroiden. In der Arbeit wird berechnet, dass bei im Universum üblichen Materialien wie Granit oder Eisen die Festigkeit des Materials der Ausdehnung durch die Schwerkraft standhalten kann, solange ihre Größe 1/10 des Erdradius nicht überschreitet. Wenn wir also im Universum Asteroiden mit sehr geringer Dichte und einer Größe von nicht mehr als 1/10 des Erdradius finden, handelt es sich möglicherweise um hohle Asteroiden, die durch primordiale Schwarze Löcher verursacht werden.

Bisher scheinen die Dinge im Rahmen der konventionellen Astronomie zu liegen, doch die Arbeit begnügt sich nicht mit der Suche nach primordialen Schwarzen Löchern im Weltraum. Sie wollen sogar nach Spuren primordialer Schwarzer Löcher auf der Erde suchen.

Ursprüngliche Schwarze Löcher bewegen sich wahrscheinlich schnell durch das Universum. Würde ein primordiales Schwarzes Loch mit einer Masse von 10²² Gramm die Erde durchdringen, könnte es in einem starren Objekt einen Tunnel mit einem Durchmesser von etwa 0,1 Mikrometern hinterlassen. Keine Angst, die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches primordiales Schwarzes Loch den menschlichen Körper durchdringt, ist sehr gering. Selbst wenn es den menschlichen Körper durchdringt, ist der verursachte Schaden aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit sehr gering. Ein solcher Tunnel ist zu dünn und hat keine Auswirkungen auf unseren Körper.

Wenn jedoch tatsächlich ein so dünner Tunnel beobachtet wird, bedeutet dies, dass primordiale Schwarze Löcher tatsächlich existieren könnten. Die Forscher errechneten, dass im Durchschnitt alle Milliarde Jahre 0,000001 solcher Tunnel auf einer Querschnittsfläche von 10 Quadratmetern übrig bleiben würden. Für die Suche nach dunkler Materie seien solche Wahrscheinlichkeiten akzeptabel, sagen die Forscher. Vielleicht können wir einige große Metallplatten platzieren und mit einem Mikroskop nach Tunneln mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer darauf suchen. Auf diese Weise können wir nach der Möglichkeit dunkler Materie suchen – primordialer Schwarzer Löcher.

Verrückte Ideen, hilflose Realität

Entweder glauben Sie, dass das Schwarze Loch die Erde durchquert hat, oder Sie halten eine so geringe Wahrscheinlichkeit für akzeptabel. Ist es die Verzerrung der menschlichen Natur oder der Verfall der Moral, der Physiker auf solche verrückten Ideen bringt? Tatsächlich wird alles durch dunkle Materie verursacht.

In den Augen der Astronomen ist Dunkle Materie längst zu einem unverzichtbaren Bestandteil geworden, sei es zur Erklärung der Rotationsgeschwindigkeit „benachbarter“ Galaxien oder zur Erklärung der Entwicklung des gesamten Universums. Wir können diese Materie nicht durch elektromagnetische Wellen beobachten, aber wir können ihren Gravitationseinfluss fast überall beobachten. Was genau ist also diese unsichtbare Substanz mit Gravitationskraft? Dies ist eines der Probleme, die Physiker am meisten beunruhigen.

Bis vor einigen Jahren konzentrierten sich die Physiker bei ihrer Erforschung ausschließlich auf schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs). Dabei handelt es sich um eine Klasse hypothetischer Teilchen, die grundsätzlich mit dem aktuellen Standardmodell der Teilchenphysik vereinbar sind und den Anteil der Dunklen Materie im Universum auf natürliche Weise erklären können. Physiker haben eine große Zahl von Experimenten zur Suche nach möglichen WIMPs entwickelt, etwa das PandaX-Experiment meines Landes und das XENON-Experiment Italiens, die beide flüssiges Xenon zur Suche nach dunkler Materie verwenden. Wenn dunkle Materie durch flüssiges Xenon hindurchgeht, könnte sie flüssige Xenonblitze auslösen. Anhand der Anzahl und Häufigkeit flüssiger Xenonblitze können Wissenschaftler auf die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Xenonatomen schließen. Dies wird in der Physik als Kollisionsquerschnitt bezeichnet und spiegelt einige grundlegende Eigenschaften von Dunkle-Materie-Teilchen wider.

Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass wir trotz der immer höheren Genauigkeit von Experimenten zur Entdeckung dunkler Materie immer noch keine WIMPs finden können. Auch wenn die aktuellen experimentellen Einschränkungen der WIMP-Kollisionsquerschnitte zu präzise sind, wurden einige klassische WIMP-Kandidaten ausgeschlossen.

Im November dieses Jahres veröffentlichten das PandaX-Experiment meines Landes und das XENON-Experiment Italiens jeweils Artikel in Physical Review Letters, in denen es hieß, dass die beiden Experimente möglicherweise den solaren Neutrino-Hintergrund entdeckt hätten. Auch von der Sonne emittierte Neutrinos haben Kollisionsquerschnitte, die die Genauigkeit des Experiments beeinflussen. Obwohl die experimentellen Konfidenzniveaus nicht hoch sind (das PandaX-Experiment liegt bei 2,64σ und das XENON-Experiment bei 2,73σ), erfüllen beide Werte nicht den 5σ-Standard, aber dies steht im Einklang mit den Vorhersagen der Forscher und sie sind davon überzeugt.

Die Experimente PandaX und XENON haben möglicherweise den solaren Neutrinohintergrund beobachtet (Bildnachweis: APS/Alan Stonebraker)

Der entscheidende Punkt ist jedoch, dass Wissenschaftler den Neutrinohintergrund der Sonne beobachteten, bevor sie dunkle Materie entdeckten. Dies zeigt, dass das Signal der dunklen Materie schwächer ist als das der Sonnenneutrinos. Wenn wir die Beobachtungsgenauigkeit bei der Suche nach Dunkler Materie weiter verbessern, wird das Signal der Sonnenneutrinos zu einer erheblichen Störung, was die Suche nach Dunkler Materie weiter erschwert.

Daher müssen Physiker die Möglichkeit anderer dunkler Materie als WIMPs in Betracht ziehen. In jüngster Zeit sind verschiedene neue Ideen zur Suche nach dunkler Materie aufgetaucht, wie etwa Axionen, primordiale Schwarze Löcher und sogar die modifizierte Newtonsche Theorie der Dynamik (MOND), die dunkle Materie aufgibt. Auch das in diesem Artikel erwähnte primordiale Schwarze Loch ist eine ihrer Ideen.

Verweise

[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/1066694

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2212686424002449?via%3Dihub

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191001

[4]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191002

[5]https://physics.aps.org/articles/v17/161

[6] „Die nächste Schatzkarte der Dunklen Materie“, Global Science, Oktober 2024

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Autor: Wang Yu

Herausgeber: Wang Mengru

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin