Ist dies die Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und dunkler Materie?

Einer in der jüngsten Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlichten Studie zufolge haben Astrophysiker der University of Miami, der Yale University und der Europäischen Weltraumorganisation eine Ansicht vertreten, die alle Lehrbücher in Frage stellt: Ursprüngliche Schwarze Löcher sind die Quelle aller dunklen Materie im Universum.

Sie erstellten ein alternatives Modell zur Entstehung des Universums und fanden heraus, dass alle Schwarzen Löcher (von denen, die so klein wie ein Stecknadelkopf sind, bis zu denen, die Milliarden von Kilometern groß sind) unmittelbar nach dem Urknall entstanden und die gesamte dunkle Materie „besetzten“.

Die Studie legt nahe, dass Schwarze Löcher seit der Entstehung des Universums existieren und dass diese primordialen Schwarzen Löcher die Vorfahren der bislang ungeklärten Dunklen Materie sein könnten. Wenn das kürzlich gestartete James-Webb-Weltraumteleskop in Zukunft schlüssige Daten sammeln kann, die dies beweisen, könnte diese Entdeckung das wissenschaftliche Verständnis vom Ursprung und den Eigenschaften zweier großer kosmischer Mysterien verändern: Dunkle Materie und Schwarze Löcher.

„Unsere Studie sagt voraus, wie das frühe Universum ausgesehen hätte, wenn die Dunkle Materie kein unbekanntes Teilchen gewesen wäre, sondern aus Schwarzen Löchern stammte, die während des Urknalls entstanden – genau wie Stephen Hawking in den 1970er Jahren glaubte“, sagte Nico Capeluti, Assistenzprofessor für Physik an der Universität von Miami.

Kein Bedarf mehr an „neuer Physik“?

„Dies wird mehrere wichtige Auswirkungen haben“, sagte Capeluti. „Erstens werden wir keine ‚neue Physik‘ mehr brauchen, um dunkle Materie zu erklären. Zweitens wird es uns helfen, eine der faszinierendsten Fragen der modernen Astrophysik zu beantworten: Wie konnten supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell wachsen?

Angesichts der Mechanismen, die wir heute im modernen Universum beobachten, hatten sie nicht genügend Zeit, sich zu bilden. Dies würde auch ein seit langem bestehendes Rätsel lösen, nämlich warum die Masse einer Galaxie immer proportional zur Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs in ihrem Zentrum ist. „

Dunkle Materie, die noch nie direkt beobachtet wurde, macht vermutlich den Großteil der Materie im Universum aus und dient als Gerüst für die Entstehung und das Wachstum von Galaxien. Bei den Schwarzen Löchern hingegen, die man in den Zentren der meisten Galaxien beobachten konnte und findet, ist die Materie im Raum so stark zu einem einzigen Punkt komprimiert, dass sie eine starke Gravitationskraft ausüben.

Die neue Forschung unter der Leitung von Priyawanda Natarajan, Professorin für Astronomie und Physik an der Yale University, und Gint Hasinger, Wissenschaftsdirektor der Europäischen Weltraumorganisation, legt nahe, dass sogenannte primordiale Schwarze Löcher verschiedener Größen tatsächlich die gesamte dunkle Materie im Universum „besetzen“.

Schwarzes Loch, du bist alles ein Mysterium

„Die unterschiedlichen Größen schwarzer Löcher bleiben ein Rätsel“, erklärte Hasinger. „Wir verstehen nicht, wie supermassereiche Schwarze Löcher in einem relativ kurzen Zeitraum seit der Entstehung des Universums so massiv werden konnten.“

Ihr Modell überarbeitet eine Theorie, die ursprünglich von Hawking und dem Physiker Bernard Carr vorgeschlagen wurde. Diese hatten die Vermutung geäußert, dass winzige Schwankungen in der Dichte des Universums in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall möglicherweise eine wellenförmige Landschaft mit „klumpigen“ Regionen mit zusätzlicher Masse geschaffen haben. Diese massiven Regionen kollabieren zu schwarzen Löchern.

Die Theorie hat keine wissenschaftliche Grundlage, aber Capeluti, Natarajan und Hasinger sagen, dass sie mit geringfügigen Modifikationen gültig sein könnte. Ihre Modelle legen nahe, dass sich im frühen Universum die ersten Sterne und Galaxien um schwarze Löcher herum bildeten. Sie schlugen außerdem vor, dass primordiale Schwarze Löcher die Fähigkeit besitzen, sich zu supermassereichen Schwarzen Löchern zu entwickeln, indem sie nahegelegenes Gas und Sterne verschlingen oder mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen.

„Primordiale Schwarze Löcher sind, falls es sie gibt, wahrscheinlich die Keimzellen aller supermassereichen Schwarzen Löcher, einschließlich des Lochs im Zentrum unserer Galaxie“, sagte Natarajan. „Ich persönlich finde diese Idee sehr spannend, weil sie zwei wirklich anspruchsvolle Probleme, an denen ich arbeite – die Erforschung der Natur der Dunklen Materie und die Entstehung und das Wachstum Schwarzer Löcher – auf elegante Weise vereint und auf einen Schlag löst.“

Bestätigen oder ablehnen oder bald die Antwort erfahren

Primordiale Schwarze Löcher könnten zudem ein weiteres kosmologisches Rätsel lösen: eine übermäßige Infrarotstrahlung, die mit der Emission von Röntgenstrahlen synchronisiert ist und von weit entfernten, schwachen Quellen im gesamten Universum registriert wird. Die Forscher sagten, das wachsende primordiale Schwarze Loch würde „genau“ dieselbe Strahlungssignatur aufweisen.

Am wichtigsten ist jedoch, dass die Existenz primordialer Schwarzer Löcher in naher Zukunft bestätigt oder widerlegt werden könnte – abhängig vom James-Webb-Weltraumteleskop, das Ende letzten Jahres von Französisch-Guayana aus gestartet wurde, und der für die 2030er Jahre geplanten Laser-Interferometer-Weltraumantennen-Mission (LISA) der Europäischen Weltraumorganisation.

Das von der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation und der kanadischen Weltraumorganisation als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops entwickelte Webb-Teleskop kann auf mehr als 13 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte zurückblicken. Wenn dunkle Materie aus ursprünglichen Schwarzen Löchern besteht, dann hätten sich im frühen Universum um sie herum viel mehr Sterne und Galaxien gebildet, und genau das könnte eine kosmische Zeitmaschine erkennen.

„Wenn die ersten Sterne und Galaxien bereits während des sogenannten ‚dunklen Zeitalters‘ entstanden, sollte Webb Beweise dafür sehen können“, sagte Hasinger.

Gleichzeitig wird LISA in der Lage sein, Gravitationswellensignale von frühen Verschmelzungen primordialer Schwarzer Löcher aufzufangen.

Quelle: Science and Technology Daily

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