Die Jagd nach winzigen, erloschenen Schwarzen Löchern, Überresten des Urknalls, könnte bald intensiviert werden.
Als sich die Spur zu solch winzigen Schwarzen Löchern offenbar abgekühlt hatte, fand ein internationales Wissenschaftlerteam Hinweise in der Quantenphysik, die den Fall neu aufrollen könnten. Ein Grund dafür, dass die Suche nach diesen sogenannten ursprünglichen Schwarzen Löchern so dringend ist, liegt darin, dass sie als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie vermutet werden.
Dunkle Materie macht 85 % der Masse des Universums aus, interagiert jedoch nicht mit Licht wie gewöhnliche Materie. Es ist die aus Atomen bestehende Materie, aus der Sterne, Planeten, Monde und unser Körper bestehen. Dunkle Materie interagiert jedoch mit der Schwerkraft, und dieser Einfluss kann beeinflussen „gewöhnliche Materie“ und Licht. Perfekt für kosmische Detektivarbeit.
Wenn es die durch den Urknall entstandenen Schwarzen Löcher tatsächlich gäbe, wären sie absolut winzig – manche könnten sogar nur einen Cent groß sein – und hätten daher Massen, die denen von Asteroiden oder Planeten entsprechen. Doch wie ihre größeren Gegenstücke, Schwarze Löcher mit Sternmasse, die Massen haben können, die das 10- bis 100-fache der Sonnenmasse betragen können, und supermassereiche Schwarze Löcher, deren Massen millionen- oder sogar milliardenfach so groß sein können wie die der Sonne, winzige Schwarze Löcher Die Sonne. Der Beginn der Zeit würde durch eine lichteinfangende Oberfläche begrenzt, die als „Ereignishorizont“ bezeichnet wird. Der Ereignishorizont verhindert, dass Schwarze Löcher Licht aussenden oder reflektieren, was winzige ursprüngliche Schwarze Löcher zu einem starken Kandidaten für Dunkle Materie macht. Sie mögen klein genug sein, um unbemerkt zu bleiben, aber kraftvoll genug, um den Raum zu beeindrucken.
Verwandt: Winzige Schwarze Löcher, die der Urknall hinterlassen hat, könnten Hauptverdächtige für Dunkle Materie sein
Das Wissenschaftlerteam – vom Research Center for the Early Universe (RESCEU) und dem Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) an der Universität Tokio – wandte einen theoretischen Rahmen an, der die klassische Feldtheorie, Einsteins, kombinierte Spezielle Relativitätstheorie und Quantenmechanik zurück ins frühe Universum. Letzteres erklärt das Verhalten von Teilchen wie Elektronen und Quarks und führt zur sogenannten Quantenfeldtheorie (QFT).
Die Anwendung der QFT auf den entstehenden Kosmos führte das Team zu der Annahme, dass es im Universum weitaus weniger hypothetische ursprüngliche Schwarze Löcher gibt, als viele Modelle derzeit schätzen. Wenn ja, könnte dies, wie vermutet, urzeitliche Schwarze Löcher völlig ausschließen.
„Wir nennen sie urzeitliche Schwarze Löcher, und viele Forscher halten sie für gute Kandidaten für Dunkle Materie, aber es müsste viele davon geben, um dieser Theorie gerecht zu werden“, sagte Jason Kristiano, ein Doktorand an der Universität Tokio eine Pressemitteilung. „Sie sind auch aus anderen Gründen interessant, denn seit der jüngsten Innovation der Gravitationswellenastronomie wurden binäre Verschmelzungen Schwarzer Löcher entdeckt, was durch die Existenz einer großen Anzahl ursprünglicher Schwarzer Löcher erklärt werden kann.“
„Aber trotz dieser starken Gründe für ihre erwartete Häufigkeit haben wir keine direkten gesehen, und wir haben jetzt ein Modell, das erklären sollte, warum dies der Fall ist.“
Kehren Sie zum Urknall zurück und suchen Sie nach ursprünglichen Schwarzen Löchern
Die meisten gängigen kosmologischen Modelle gehen davon aus, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren entstand, während einer anfänglichen Phase rascher Inflation: dem Urknall.
Nachdem bei dieser anfänglichen Expansion die ersten Teilchen im Universum aufgetaucht waren, wurde der Weltraum schließlich kalt genug, um Elektronen und Protonen zu ermöglichen, sich zu verbinden und die ersten Atome zu bilden. Dabei wurde das Element Wasserstoff geboren. Außerdem konnte sich Licht vor dieser Abkühlung nicht durch den Kosmos bewegen. Dies liegt daran, dass Elektronen Photonen, Lichtteilchen, endlos streuen. Daher war das Universum in diesen dunklen Zeitaltern im Wesentlichen undurchsichtig.
Sobald es den freien Elektronen jedoch gelang, sich an die Protonen zu binden und nicht mehr überall hin- und herzuspringen, konnte sich das Licht endlich frei bewegen. Nach diesem Ereignis, das als „letzte Diffusion“ bezeichnet wird, und während der folgenden Periode, die als „Reionisierungsepoche“ bekannt ist, wurde das Universum augenblicklich für Licht transparent. Das erste Licht, das damals durch das Universum schien, kann heute noch als ein im Wesentlichen gleichmäßiges Strahlungsfeld gesehen werden, ein universelles „Fossil“, das als kosmischer Mikrowellenhintergrund oder „CMB“ bezeichnet wird.
In der Zwischenzeit bildeten die erzeugten Wasserstoffatome die ersten Sterne, die ersten Galaxien und die ersten Galaxienhaufen. Und tatsächlich schienen einige Galaxien mehr Masse zu haben, als ihre sichtbaren Bestandteile ausmachen können, wobei dieser Überschuss auf nichts anderes als dunkle Materie zurückzuführen ist.
Während Schwarze Löcher mit stellarer Masse durch den Zusammenbruch und Tod massereicher Sterne entstehen und supermassive Schwarze Löcher durch die aufeinanderfolgende Verschmelzung kleinerer Schwarzer Löcher entstehen, sind ursprüngliche Schwarze Löcher älter als die Sterne – sie müssen also einen einzigartigen Ursprung haben.
Einige Wissenschaftler glauben, dass die Bedingungen im heißen, dichten frühen Universum so waren, dass kleinere Materiepakete unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren konnten, um diese winzigen Schwarzen Löcher entstehen zu lassen – mit Ereignishorizonten, die nicht größer als ein Zehncentstück oder vielleicht sogar noch kleiner waren als ein Proton, abhängig von ihrer Masse.
Das Team hinter dieser Forschung hat sich zuvor Modelle ursprünglicher Schwarzer Löcher im frühen Universum angesehen, diese Modelle stimmten jedoch nicht mit den CMB-Beobachtungen überein. Um Abhilfe zu schaffen, korrigierten Wissenschaftler die Haupttheorie zur Entstehung von Schwarzen Löchern. Korrekturen von QFT mitgeteilt.
„Am Anfang war das Universum unglaublich klein, viel kleiner als die Größe eines einzelnen Atoms. Die kosmische Inflation vergrößerte diese Dimension schnell um 25 Größenordnungen“, sagte Kavli IPMU und RESCEU-Direktor Jun’ ichi Yokoyama in der Pressemitteilung. „Damals könnten die Wellen, die diesen kleinen Raum passierten, relativ große Amplituden, aber sehr kurze Wellenlängen gehabt haben.“
Das Team entdeckte, dass diese winzigen, aber starken Wellen durch eine Verstärkung zu viel größeren und längeren Wellen werden können, als die, die Astronomen im heutigen CMB sehen. Das Team glaubt, dass diese Verstärkung das Ergebnis der Kohärenz zwischen den ersten Kurzwellen ist, die mit QFT erklärt werden kann.
„Während einzelne kurze Wellen relativ machtlos wären, hätten kohärente Gruppen die Macht, Wellen umzuformen, die viel größer sind als sie selbst“, sagte Yokoyama. „Dies ist ein seltener Fall, in dem eine Theorie von etwas auf einer extremen Skala etwas am anderen Ende der Skala zu erklären scheint.“
Wenn die Theorie des Teams, dass frühe kleinräumige Fluktuationen im Universum zunehmen und großräumige Fluktuationen im CMB beeinflussen können, richtig ist, wird dies Auswirkungen darauf haben, wie sich Strukturen im Kosmos entwickelt haben. Die Messung von CMB-Fluktuationen könnte dazu beitragen, die Größe der ursprünglichen Fluktuationen im frühen Universum zu begrenzen. Dies wiederum schränkt Phänomene ein, die auf kürzeren Fluktuationen beruhen, wie etwa urzeitliche Schwarze Löcher.
„Es wird allgemein angenommen, dass der Zusammenbruch kurzer, aber starker Wellenlängen im frühen Universum die Entstehung ursprünglicher Schwarzer Löcher verursacht hat“, sagte Kristiano. „Unsere Studie legt nahe, dass es viel weniger ursprüngliche Schwarze Löcher geben sollte, als nötig wäre, wenn sie tatsächlich gute Kandidaten für Dunkle Materie oder Gravitationswellenereignisse wären.“
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Ursprüngliche Schwarze Löcher gelten derzeit als reine Hypothese. Tatsächlich macht es die lichteinfangende Natur von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse schwierig, selbst diese viel größeren Objekte zu sehen. Stellen Sie sich also vor, wie schwierig es wäre, ein Schwarzes Loch mit einem Ereignishorizont von der Größe einer Zehn-Cent-Münze zu entdecken.
Der Schlüssel zur Entdeckung ursprünglicher Schwarzer Löcher liegt möglicherweise nicht in der „traditionellen Astronomie“, sondern vielmehr in der Messung winziger Wellen in der Raumzeit, den sogenannten Gravitationswellen. Obwohl aktuelle Gravitationswellendetektoren nicht empfindlich genug sind, um Wellen in der Raumzeit zu erkennen, die durch Kollisionen ursprünglicher Schwarzer Löcher verursacht werden, werden zukünftige Projekte wie die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) die Erkennung von Gravitationswellen im Weltraum ermöglichen. Dies könnte dazu beitragen, die Theorie des Teams zu bestätigen oder zu widerlegen, und Wissenschaftler näher an die Bestätigung bringen, ob urzeitliche Schwarze Löcher die Dunkle Materie erklären könnten.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch, 29. Mai, in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
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