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Seit rund 50 Jahren beschäftigt sich die wissenschaftliche Gemeinschaft mit einem großen Problem: Es gibt nicht genügend sichtbare Materie im Universum.
Die gesamte Materie, die wir sehen können – Sterne, Planeten, kosmischer Staub und alles andere – kann nicht erklären, warum sich das Universum so verhält, und es muss fünfmal so viel davon geben, damit Beobachtungen für Forscher sinnvoll sind. laut NASA. Wissenschaftler nennen dies dunkle Materie, weil sie nicht mit Licht interagiert und unsichtbar ist.
In den 1970er Jahren bestätigten die amerikanischen Astronomen Vera Rubin und W. Kent Ford die Existenz dunkler Materie, indem sie Sterne beobachteten, die Spiralgalaxien umkreisen. Sie stellten fest, dass sich diese Sterne zu schnell bewegten, als dass sie von der sichtbaren Materie der Galaxie und ihrer Schwerkraft zusammengehalten werden könnten – sie hätten sich stattdessen trennen sollen. Die einzige Erklärung war eine große Menge unsichtbarer Materie, die die Galaxie zusammenhielt.
„Was man in einer Spiralgalaxie sieht“, sagte Rubin damals, „ist nicht das, was man bekommt.“ Seine Arbeit basierte auf einer Hypothese, die der Schweizer Astronom Fritz Zwicky in den 1930er Jahren formulierte, und startete die Suche nach dieser schwer fassbaren Substanz.
Seitdem versuchen Wissenschaftler, Dunkle Materie direkt zu beobachten und haben sogar große Geräte gebaut, um sie nachzuweisen – bisher jedoch ohne Erfolg.
Zu Beginn seiner Forschung postulierte der berühmte britische Physiker Stephen Hawking, dass dunkle Materie in Schwarzen Löchern verborgen sein könnte – dem Hauptthema seiner Arbeit –, die während des Urknalls entstanden sind.
Jetzt hat eine neue Studie von Forschern des Massachusetts Institute of Technology die Theorie wieder ins Rampenlicht gerückt, indem sie enthüllte, woraus diese ursprünglichen Schwarzen Löcher bestanden, und möglicherweise einen ganz neuen Typ exotischer Schwarzer Löcher entdeckte.
„Es war wirklich eine wunderbare Überraschung“, sagte David Kaiser, einer der Autoren der Studie.
„Wir verwendeten Stephen Hawkings berühmte Berechnungen zu Schwarzen Löchern, insbesondere seine wichtigen Ergebnisse zur von Schwarzen Löchern emittierten Strahlung“, sagte Kaiser. „Diese exotischen Schwarzen Löcher entstehen aus dem Versuch, das Problem der Dunklen Materie zu lösen – sie sind ein Nebenprodukt der Erklärung der Dunklen Materie.“
Die erste Trillionstelsekunde
Wissenschaftler haben viele Hypothesen darüber aufgestellt, was dunkle Materie sein könnte, von unbekannten Teilchen bis hin zu zusätzlichen Dimensionen. Aber Hawkings Theorie des Schwarzen Lochs kommt erst seit Kurzem zum Einsatz.
„Die Leute haben es bis vor vielleicht zehn Jahren nicht wirklich ernst genommen“, sagte Elba Alonso-Monsalve, Co-Autorin der Studie und MIT-Absolventin. „Und das liegt daran, dass Schwarze Löcher einst wirklich schwer fassbar schienen: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts dachten die Menschen, sie seien nur eine lustige mathematische Tatsache und nichts Physisches.“
Wir wissen jetzt, dass fast jede Galaxie ein Schwarzes Loch in ihrem Zentrum hat, und die Entdeckung von Einsteins Gravitationswellen, die durch kollidierende Schwarze Löcher im Jahr 2015 erzeugt wurden – eine historische Entdeckung – durch Forscher zeigte deutlich, dass sie überall sind.
„Eigentlich ist das Universum voller Schwarzer Löcher“, sagte Alonso-Monsalve. „Aber das Teilchen der dunklen Materie wurde nicht gefunden, obwohl die Menschen überall dort suchten, wo sie es erwarteten. Das soll nicht heißen, dass Dunkle Materie kein Teilchen ist, noch dass es sich mit Sicherheit um Schwarze Löcher handelt. Es könnte eine Kombination aus beidem sein. Aber jetzt werden Schwarze Löcher als Kandidaten für Dunkle Materie viel ernster genommen.
Andere neuere Studien haben die Gültigkeit von Hawkings Hypothese bestätigt, aber die Arbeit von Alonso-Monsalve und Kaiser, Professor für Physik und Germeshausen-Professor für Wissenschaftsgeschichte am MIT, geht noch weiter und untersucht genau, was geschah, als sich die ursprünglichen Schwarzen Löcher erstmals bildeten .
Die am 6. Juni in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie zeigt, dass diese Schwarzen Löcher in der ersten Trillionstelsekunde des Urknalls aufgetaucht sein müssen: „Das ist sehr früh und lange vor dem Moment, in dem Protonen und Neutronen entstehen.“ Partikel, aus denen alles besteht, entstanden“, sagte Alonso-Monsalve.
„In unserer Alltagswelt finden wir keine getrennten Protonen und Neutronen, und sie wirken wie Elementarteilchen“, fügte sie hinzu. Wir wissen jedoch, dass dies nicht der Fall ist, da sie aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen, die durch andere Teilchen, die Gluonen genannt werden, miteinander verbunden sind.
„Im Moment kann man im Universum keine einzelnen, freien Quarks und Gluonen finden, weil es zu kalt ist“, fügte Alonso-Monsalve hinzu. „Aber zu Beginn des Urknalls, als es sehr heiß war, konnte man sie allein und frei finden. Ursprüngliche Schwarze Löcher entstanden also durch die Absorption freier Quarks und Gluonen.
Eine solche Bildung würde sie grundlegend von den astrophysikalischen Schwarzen Löchern unterscheiden, die Wissenschaftler normalerweise im Universum beobachten und die das Ergebnis kollabierender Sterne sind. Darüber hinaus wäre ein ursprüngliches Schwarzes Loch viel kleiner – im Durchschnitt nur die Masse eines Asteroiden, verdichtet zum Volumen eines einzelnen Atoms. Aber wenn nicht genügend dieser ursprünglichen Schwarzen Löcher zu Beginn des Urknalls verdampften und bis zum heutigen Tag überlebten, könnten sie die gesamte oder den größten Teil der Dunklen Materie ausmachen.
Eine Signatur, die bleibt
Der Studie zufolge muss sich bei der Entstehung ursprünglicher Schwarzer Löcher als eine Art Nebenprodukt eine andere Art von bisher unbekannten Schwarzen Löchern gebildet haben. Diese wären sogar noch kleiner gewesen – nur die Masse eines Nashorns, verdichtet auf weniger als das Volumen eines einzelnen Protons.
Aufgrund ihrer geringen Größe könnten diese winzigen Schwarzen Löcher eine seltene und exotische Eigenschaft der Quark-Gluon-Suppe, in der sie entstanden sind, einfangen, die sogenannte „farbige Ladung“. Dies ist ein Ladungszustand, der nur bei Quarks und Gluonen vorkommt und nie in gewöhnlichen Objekten vorkommt, sagte Kaiser.
Diese Farbladung würde sie einzigartig unter Schwarzen Löchern machen, die im Allgemeinen keinerlei Ladung tragen. „Es ist unvermeidlich, dass sich auch diese noch kleineren Schwarzen Löcher als Nebenprodukt (der Bildung ursprünglicher Schwarzer Löcher) gebildet haben“, sagte Alonso-Monsalve, „aber sie wären heute nicht da, weil sie bereits verdampft wären.“
Wenn sie jedoch nur etwa zehn Millionstel Sekunden vom Urknall entfernt gewesen wären, als sich Protonen und Neutronen bildeten, hätten sie beobachtbare Signaturen hinterlassen können, indem sie das Gleichgewicht zwischen den beiden Arten von Teilchen verändert hätten.
„Das Gleichgewicht zwischen der Anzahl der Protonen und der Anzahl der erzeugten Neutronen ist sehr heikel und hängt davon ab, welche anderen Elemente zu dieser Zeit im Universum existierten. Wenn diese farbgeladenen Schwarzen Löcher noch da wären, hätten sie das Gleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen (zu Gunsten des einen oder anderen) verschieben können, gerade so weit, dass wir es in den kommenden Jahren messen könnten“, fügte sie hinzu.
Die Messung könnte von bodengestützten Teleskopen oder empfindlichen Instrumenten auf umlaufenden Satelliten stammen, sagte Kaiser. Aber es könnte eine andere Möglichkeit geben, die Existenz dieser exotischen Schwarzen Löcher zu bestätigen, fügt er hinzu.
„Die Entstehung einer Population von Schwarzen Löchern ist ein sehr heftiger Prozess, der riesige Wellen durch die umgebende Raumzeit senden würde. „Diese würden sich im Laufe der kosmischen Geschichte abschwächen, aber nicht auf Null“, sagte Kaiser. „Die nächste Generation von Gravitationsdetektoren könnte schwarze Löcher mit geringer Masse erkennen – einen exotischen Zustand der Materie, der ein unerwartetes Nebenprodukt der alltäglicheren Schwarzen Löcher war, der die heutige dunkle Materie erklären könnte.“ »
Viele Formen dunkler Materie
Was bedeutet das für laufende Experimente, die versuchen, Dunkle Materie nachzuweisen, wie das LZ Dark Matter Experiment in South Dakota?
„Die Idee, dass es neue exotische Teilchen gibt, bleibt eine interessante Hypothese“, sagte Kaiser. „Es gibt andere Arten von Großexperimenten, von denen sich einige im Bau befinden und nach ausgefeilten Methoden zur Erkennung von Gravitationswellen suchen. Und diese könnten tatsächlich einige der falschen Signale aus dem sehr heftigen Entstehungsprozess urzeitlicher Schwarzer Löcher einfangen.
Es sei auch möglich, dass ursprüngliche Schwarze Löcher nur einen Bruchteil der Dunklen Materie ausmachen, fügte Alonso-Monsalve hinzu. „Es muss nicht dasselbe sein“, sagte sie. „Es gibt fünfmal mehr Dunkle Materie als gewöhnliche Materie, und gewöhnliche Materie besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher Teilchen. Warum sollte Dunkle Materie also nur eine Art von Objekt sein?
Ursprüngliche Schwarze Löcher haben mit der Entdeckung von Gravitationswellen wieder an Popularität gewonnen, über ihre Entstehung ist jedoch wenig bekannt, so Nico Cappelluti, Assistenzprofessor am Physik-Department der University of Miami. Er nahm nicht an der Studie teil.
„Diese Arbeit bietet eine interessante und praktikable Möglichkeit, die schwer fassbare Dunkle Materie zu erklären“, sagte Cappelluti.
„Die Studie ist spannend und legt einen neuen Entstehungsmechanismus für die erste Generation von Schwarzen Löchern nahe“, sagte Priyamvada Natarajan, Joseph S. und Sophia S. Fruton-Professorin für Astronomie und Physik an der Yale University. Sie nahm auch nicht an der Studie teil.
„Der gesamte Wasserstoff und Helium, den wir heute in unserem Universum haben, wurde in den ersten drei Minuten erzeugt, und wenn bis dahin genügend dieser ursprünglichen Schwarzen Löcher vorhanden gewesen wären, hätten sie einen Einfluss auf diesen Prozess gehabt und diese Effekte könnten nachweisbar sein.“ sagte Natarajan. .
„Die Tatsache, dass dies eine durch Beobachtungen überprüfbare Hypothese ist, finde ich wirklich spannend, abgesehen von der Tatsache, dass sie darauf hindeutet, dass die Natur wahrscheinlich seit der Antike auf mehreren Wegen Schwarze Löcher geschaffen hat.“
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