Wenn es um Verdächtige der Dunklen Materie in urzeitlichen Schwarzen Löchern geht, könnte ihr Alibi scheitern. Winzige Schwarze Löcher, die Sekunden nach der Geburt des Universums entstanden, könnten länger überleben als erwartet, was den Verdacht wieder aufleben lässt, dass urzeitliche Schwarze Löcher die Dunkle Materie, das mysteriöseste Element im Universum, erklären könnten.
Dunkle Materie stellt derzeit eines der drängendsten Probleme der Physik dar. Obwohl dunkle Materie etwa 85 % der Materie im Kosmos ausmacht, bleibt sie für unsere Augen unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert.
Da die Teilchen, aus denen die Atome bestehen, aus denen die „alltäglichen“ Dinge bestehen, die wir sehen können, wie Sterne, Planeten und unser eigener Körper, offensichtlich mit Licht interagieren, hat dies zu einer Suche nach Teilchen der Dunklen Materie außerhalb des Standardmodells geführt Teilchenphysik. Viele Wissenschaftler glauben jedoch, dass die Antwort immer noch im Standardmodell liegen könnte, wenn wir einen kleineren Verwandten kosmischer Objekte betrachten, die wir normalerweise für extrem massiv, ja sogar monströs halten: Schwarze Löcher.
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Valentin Thoss, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut, und Ana Fernandes Alexandre von der Universität Lissabon sind zwei Forscher, die kürzlich an solchen Studien teilgenommen haben. Sie postulieren, dass winzige Schwarze Löcher, die vor mehr als 13,8 Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall, entstanden und nicht größer als ein Proton sind, sich zusammenballen und zu verdächtiger Dunkler Materie werden könnten, ohne dass neue Physik erforderlich wäre.
Eine kürzliche Änderung in der Art und Weise, wie Schwarze Löcher „verdampfen“, hat nicht nur zu einer Neubewertung der Lebensfähigkeit ursprünglicher Schwarzer Löcher als Dunkle Materie geführt, sondern da die Suche nach einem Teilchen Dunkler Materie weiterhin eine Lücke hinterlässt, könnten weitere 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 Schwarze Löcher, die sich früh im Universum bilden“, sagte Thoss gegenüber Space.com. „Tatsächlich im ersten Sekundenbruchteil des Universums.“
Er erklärte, dass alle Strukturen, die wir im Universum beobachten, von Superhaufen von Galaxien bis hin zu den Galaxien selbst, aus leichten Überdichten im Raum entstehen, die zu Beginn des Universums vorhanden waren. Wenn das frühe Universum Dichteschwankungen erlebt hätte, die viel stärker waren als diejenigen, die diese Merkmale erzeugten, und diese Schwankungen zusammengebrochen wären, bevor sich tatsächlich Galaxien gebildet hätten, dann könnten diese übermäßig dichten Bereiche urzeitliche Schwarze Löcher verursacht haben.
Thoss fügte hinzu, dass diese ursprünglichen Schwarzen Löcher je nach Zeitpunkt und Ausmaß dieses 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 .
Während die kleinsten Schwarzen Löcher, die bisher von Wissenschaftlern entdeckt wurden, 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 die Verschmelzung relativ kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sind, hätten laut Fernandes Alexandre ursprüngliche Schwarze Löcher 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 urzeitliche Schwarze Löcher wurden zuvor 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 der Hawking-Strahlung entkommen und desto schneller sollte es daher verdampfen. Das heißt, wenn es jemals urzeitliche Schwarze Löcher gegeben hätte, dürften die kleinsten Exemplare heute nicht mehr existieren – 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, weil angenommen wurde, dass sie zu diesem Zeitpunkt im Universum vollständig verdampft waren“, sagte Thoss.
Aktuelle 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 stoppt. Das bedeutet, dass urzeitliche Schwarze Löcher mit den Massen, die Wissenschaftler sich vorstellen, einen halbstabilen Zustand erreichen könnten.
„Um seine Masse durch die Emission von Hawking-Strahlung zu reduzieren, muss das Schwarze Loch seine Informationen oder etwas anderes ‚umschreiben‘. Dieser Umschreibungsprozess braucht Zeit“, erklärte Fernandes Alexandre. „Man nennt es ‚Speicherlast‘, weil der Speicher nun an etwas anderes weitergegeben werden muss, was den gesamten Verdunstungsprozess irgendwie verlangsamt. Es wirkt also irgendwie stabilisierend.“
Und dieser „Rettungsmechanismus“ bedeutet, dass urzeitliche Schwarze Löcher wieder als potenzielle Kandidaten für die Dunkle Materie gelten!
Ein Doppelgänger der Dunklen Materie?
Die Tatsache, dass es im heutigen Universum möglicherweise urzeitliche Schwarze Löcher gibt, bedeutet jedoch nicht sofort, dass man sie als Verdächtige der Dunklen Materie betrachten sollte. Es stellt sich heraus, dass es andere Gründe gibt, 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 Fluchtgeschwindigkeit, die zum Durchqueren erforderlich ist, die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Dies bedeutet, dass ursprüngliche Schwarze Löcher das gesamte einfallende Licht „einfangen“, was zu einem offensichtlichen Mangel an Wechselwirkungen führt.
„Wenn sie leicht genug sind, verhalten sich urzeitliche Schwarze Löcher irgendwo in der Nähe einer Planetenmasse wie Teilchen dunkler Materie für alle Zwecke, an denen wir interessiert sind“, sagte Thoss. „Dunkle Materie ist in Standardmodellen ‚kollisionsfrei‘, sodass Teilchen der dunklen Materie nicht so miteinander interagieren, dass sie das Universum beeinflussen.“
Er fügte hinzu, dass, wenn ursprüngliche Schwarze Löcher leichter als Planetenmassen wären, sie selbst auf der kosmischen Zeitskala so klein wären, dass sie sehr selten kollidieren würden. Diese ursprünglichen Schwarzen Löcher könnten sich stattdessen zusammenballen und die Gravitationseffekte erzeugen, die wir derzeit der Dunklen Materie zuschreiben, etwa den Gravitationseinfluss, der verhindert, dass schnell rotierende Galaxien auseinanderbrechen.
Wenn jedoch ursprüngliche Schwarze Löcher zusammenkommen würden, um die Auswirkungen der Dunklen Materie zu erklären, was würde diese Schwarzen Löcher dann davon abhalten, zusammenzukommen und zu größeren Schwarzen Löchern zu verschmelzen? Würde aus einer Gruppe winziger Schwarzer Löcher nicht irgendwann ein riesiges Schwarzes Loch werden? Thoss sagte, die Angelegenheit sei untersucht worden und die Antwort sei einfach: „Nein.“
„Selbst wenn man Clusterbildung berücksichtigt, sind die Verschmelzungszeiten so lang, dass sie über das gesamte Alter des Universums hinweg nur zu wirklich massiven Schwarzen Löchern verschmelzen würden“, fuhr er fort.
Thoss fügte hinzu, dass das Schöne an der Verwendung ursprünglicher Schwarzer Löcher als Erklärung für Dunkle Materie darin besteht, dass im Gegensatz zur Annahme eines hypothetischen Teilchens wie eines Axions zur Erklärung des Rätsels für ursprüngliche Schwarze Löcher keine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik erforderlich ist . die beste Erklärung, die wir für das Universum auf subatomarer Ebene haben.
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Dennoch wird es unglaublich schwierig sein, ursprüngliche Schwarze Löcher als Dunkle Materie zu bestätigen, wenn sie das Phänomen tatsächlich erklären. Auch hier gilt, dass sie aufgrund ihrer lichteinfangenden Beschaffenheit praktisch unsichtbar sind. Darüber hinaus haben sie aufgrund ihrer geringen Größe nicht die gleichen enormen Gravitationseffekte wie ihre stellaren und supermassiven Brüder.
Selbst wenn eine Gruppe ursprünglicher Schwarzer Löcher entdeckt würde, gibt es keine wirkliche Möglichkeit, den Unterschied zwischen einer großen Anzahl kleiner Schwarzer Löcher und einem großen Schwarzen Loch zu erkennen.
Trotz dieser Schwierigkeit wollen Thoss und Fernandes Alexandre zumindest theoretisch hinter den ursprünglichen Schwarzen Löchern bleiben. Wenn weiterhin keine möglichen Teilchen der Dunklen Materie auftauchen, könnte die Lösung darin bestehen, mehr Physiker zu ermutigen, die metaphorische Barriere zwischen Teilchenphysik und Kosmologie zu untersuchen.
„Ich würde nicht sagen, dass urzeitliche Schwarze Löcher jemals als Kandidaten für Dunkle Materie abgelehnt wurden; sie wurden jedoch eine Zeit lang ignoriert“, sagte Fernandes Alexandre. „Angesichts der Tatsache, dass wir Teilchen der Dunklen Materie nicht wirklich nachweisen können, denke ich, dass es immer relevanter wird, diese Option in Betracht zu ziehen.“