Schwarze Löcher entstehen entweder beim Kollaps eines massereichen Sterns oder beim Verschmelzen schwerer Objekte. Wissenschaftler vermuten jedoch, dass sich in den ersten chaotischen Momenten des frühen Universums kleinere „ursprüngliche“ Schwarze Löcher gebildet haben könnten, darunter einige mit erdähnlichen Massen. Wenn wir an Schwarze Löcher denken, neigen wir dazu, uns riesige kosmische Monster vorzustellen, etwa Schwarze Löcher mit stellarer Masse und Massen, die das Zehn- bis Hundertfache der Sonnenmasse betragen. Wir können uns sogar supermassereiche Schwarze Löcher mit Millionen (oder sogar Milliarden) Sonnenmassen vorstellen, die im Herzen von Galaxien sitzen und deren Umgebung dominieren. Ein Team von Wissenschaftlern hat vorhergesagt, dass das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA eine Klasse „leichter“ Schwarzer Löcher entdecken könnte, die bisher der Entdeckung entgangen sind.
Allerdings vermuten Wissenschaftler, dass das Universum auch von viel weniger massereichen, relativ leichten Schwarzen Löchern mit einer Masse um die Erde bevölkert sein könnte. Diese Schwarzen Löcher könnten möglicherweise die Masse eines großen Asteroiden haben. Wissenschaftler vermuten außerdem, dass solche Schwarzen Löcher seit Anbeginn der Zeit, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, existiert haben könnten. Diese Schwarzen Löcher, die treffend als „ursprüngliche Schwarze Löcher“ bezeichnet werden, blieben rein theoretisch, aber Roman, dessen Start für Ende 2026 geplant ist, könnte das ändern.
„Die Entdeckung einer Population ursprünglicher Schwarzer Löcher mit Erdmasse wäre ein unglaublicher Fortschritt sowohl für die Astronomie als auch für die Teilchenphysik, da diese Objekte durch keinen bekannten physikalischen Prozess gebildet werden können“, sagte William DeRocco, Postdoktorand an der University of California, Santa Claus Kruse, der die Forschung leitete, wie Roman sie entdecken konnte. Ein Artikel, der die Ergebnisse beschreibt, wurde in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht. „Wenn wir sie finden, wird das das Gebiet der theoretischen Physik aufrütteln.“
Stephen Hawking schlug vor, dass Schwarze Löcher langsam schrumpfen könnten, wenn Strahlung entweicht. Der langsame Austritt dessen, was heute als Hawking-Strahlung bekannt ist, wird schließlich dazu führen, dass das Schwarze Loch einfach verdampft. Diese Infografik zeigt die geschätzte Lebensdauer und den Ereignishorizont – den Punkt, ab dem fallende Objekte der Schwerkraft eines Schwarzen Lochs nicht mehr entkommen können – sowie die Durchmesser verschiedener Schwarzer Löcher mit geringer Masse. NASA Goddard Space Flight Center
Die kleinsten Schwarzen Löcher, deren Existenz jemals bestätigt wurde, sind Schwarze Löcher mit Sternmasse, die entstehen, wenn massereichen Sternen in ihren Kernen der Treibstoff für die Kernfusion ausgeht. Sobald diese Fusion aufhört, kollabieren diese Sterne unter ihrer eigenen Schwerkraft. Typischerweise beträgt die Mindestmasse, die ein Stern benötigt, um ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse zu hinterlassen, das Achtfache der Sonnenmasse. Wenn er leichter ist, beendet der Stern sein Leben als Neutronenstern oder als schwelender Weißer Zwerg.
Allerdings unterschieden sich die Bedingungen im Universum zu Beginn seiner Existenz stark von den Bedingungen der Neuzeit. Wenn der Weltraum heiß, dicht und turbulent war, konnten viel kleinere Materieklumpen kollabieren und Schwarze Löcher entstehen.
Allerdings ist eine Mindestmasse erforderlich: mindestens das Achtfache der Masse unserer Sonne. Hellere Sterne werden entweder zu Weißen Zwergen oder zu Neutronensternen.
Das Konzept dieses Künstlers ist ein skurriler Ansatz zur Darstellung kleiner ursprünglicher Schwarzer Löcher. In Wirklichkeit wäre es für so kleine Schwarze Löcher schwierig, die Akkretionsscheiben zu bilden, die sie hier sichtbar machen. NASA Goddard Space Flight Center
Allerdings könnten die Bedingungen im sehr frühen Universum die Bildung viel leichterer Schwarzer Löcher ermöglicht haben. Einer von ihnen, der so viel wiegt wie die Erde, hätte einen Ereignishorizont – den Punkt, an dem es für herabfallende Objekte kein Zurück mehr gibt – etwa in der Breite einer 10-Cent-US-Münze.
Wissenschaftler glauben, dass das Universum, als es gerade erst begann, eine kurze, aber intensive Phase durchlief, die als Inflation bekannt ist und in der sich der Weltraum schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnte. Unter diesen besonderen Bedingungen könnten Regionen, die dichter als ihre Umgebung waren, kollabieren und urzeitliche Schwarze Löcher geringer Masse bilden.
Obwohl die Theorie vorhersagt, dass die kleinsten von ihnen verdampfen werden, bevor das Universum sein aktuelles Alter erreicht, könnten diejenigen mit Massen nahe der Erde überleben.
Die Entdeckung dieser winzigen Objekte wird große Auswirkungen auf die Physik und Astronomie haben.
„Dies würde sich auf alles auswirken, von der Entstehung von Galaxien über den Gehalt an dunkler Materie im Universum bis hin zur kosmischen Geschichte“, sagte Kailash Sahu, ein Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore, der nicht an der Studie beteiligt war. „Die Bestätigung ihrer Identität wird harte Arbeit sein und die Astronomen werden viele handfeste Beweise brauchen, aber es wird sich lohnen.“
Das Diagramm zeigt ein urzeitliches Schwarzes Loch, das eine Gravitationslinse verursacht und dem römischen Weltraumteleskop seine Existenz verrät. Robert Lee
Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass alle Objekte mit Masse dazu führen, dass sich das Gefüge von Raum und Zeit zu einer einzigen vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“ biegt. Wenn Licht von einer Hintergrundquelle durch die Kette geht, wird sein Weg gebogen. Je näher das Licht am Linsenobjekt vorbeikommt, desto stärker wird sein Weg gekrümmt. Das bedeutet, dass Licht vom gleichen Objekt zu unterschiedlichen Zeiten am Teleskop ankommen kann. Dies wird als Gravitationslinseneffekt bezeichnet.
Wenn das Linsenobjekt unglaublich massereich ist, wie etwa eine Galaxie, kann sich die Hintergrundquelle an eine scheinbare Position verschieben oder sogar an mehreren Stellen im selben Bild erscheinen. Wenn das Linsenobjekt eine kleinere Masse hat, wie das ursprüngliche Schwarze Loch, ist der Linseneffekt geringer, kann aber dazu führen, dass erkennbare Hintergrundquellen an Helligkeit zunehmen. Dies ist ein Effekt, der Mikrolinseneffekt genannt wird.
Mikrolinsen werden heute mit großem Erfolg eingesetzt, um unerwünschte Planeten oder Welten aufzuspüren, die ohne Mutterstern durch die Milchstraße treiben. Dabei kam eine große Population von Ausgestoßenen zum Vorschein, die etwa die Größe der Erde hatte – mehr, als die Modelle theoretisch vorhersagen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Roman mit diesem Modell die Erkennung gefährlicher terrestrischer Massen um den Faktor zehn steigern wird.
Die Fülle dieser Objekte hat zu Spekulationen geführt, dass es sich bei einigen dieser erdmassereichen Objekte tatsächlich um urzeitliche Schwarze Löcher handeln könnte. „Es ist unmöglich, im Einzelfall zwischen Schwarzen Löchern mit der Masse der Erde und Schurkenplaneten zu unterscheiden“, sagte DeRocco. „Der Roman wird ein äußerst wirkungsvolles Mittel sein, um diese beiden Objekte statistisch zu unterscheiden.“
Die Abbildung zeigt das römische Weltraumteleskop Nancy Grace, umgeben von ursprünglichen Schwarzen Löchern. Robert Lee/NASA
Mikrolinsen sind ein Beobachtungseffekt, der auftritt, weil die Anwesenheit von Masse das Gefüge der Raumzeit verzerrt, ähnlich wie der Abdruck, den eine Bowlingkugel auf einem Trampolin hinterlässt. Jedes Mal, wenn aus unserer Sicht ein Zwischenobjekt in der Nähe eines Hintergrundsterns zu driften scheint, muss das Licht des Sterns die gekrümmte Raumzeit um das Objekt herum durchqueren. Wenn die Ausrichtung besonders nah ist, kann das Objekt als natürliche Linse wirken und das Licht des Hintergrundsterns bündeln und verstärken.
Separate Astronomenteams haben mithilfe von Daten von MOA (Microlens Observations in Astrophysics), einer Zusammenarbeit, die Mikrolinsenbeobachtungen unter Verwendung des Mount John University Observatory in Neuseeland durchführt, und OGLE (Optical-Gravitational Lensing Experiment) eine unerwartet große Population isolierter Objekte entdeckt mit einer Masse, die der Masse der Erde entspricht.
Theorien zur Planetenentstehung und -entwicklung sagen bestimmte Massen und Häufigkeiten von Schurkenplaneten voraus – Welten, die die Galaxie durchstreifen und nicht an einen Stern gebunden sind. MOA- und OGLE-Beobachtungen deuten darauf hin, dass mehr Lichtobjekte durch die Galaxie treiben, als Modelle vorhersagen.
„Es ist unmöglich, im Einzelfall zwischen Schwarzen Löchern mit der Masse der Erde und Schurkenplaneten zu unterscheiden“, sagte DeRocco. Wissenschaftler gehen jedoch davon aus, dass Roman zehnmal mehr Objekte in diesem Massenbereich finden wird als bodengestützte Teleskope. „Roman wird in der statistischen Unterscheidung zwischen diesen beiden Objekten äußerst wirkungsvoll sein.“
DeRocco leitete die Bemühungen, zu bestimmen, wie viele Schurkenplaneten in diesem Massenbereich liegen sollten und wie viele ursprüngliche Schwarze Löcher Roman unter ihnen erkennen konnte.
Die Entdeckung ursprünglicher Schwarzer Löcher würde neue Informationen über das sehr frühe Universum liefern und starke Beweise dafür liefern, dass tatsächlich eine frühe Inflationsphase stattgefunden hat. Es könnte auch einen kleinen Prozentsatz der mysteriösen Dunklen Materie erklären, von der Wissenschaftler sagen, dass sie den größten Teil der Masse unseres Universums ausmacht, die sie aber bisher nicht identifizieren konnten.
„Dies ist ein spannendes Beispiel dafür, was Wissenschaftler mit den Daten machen könnten, die Roman bereits bei der Suche nach Planeten sammeln wird“, sagte Sahu. „Und die Ergebnisse sind interessant, unabhängig davon, ob Wissenschaftler Beweise für Schwarze Löcher mit der Masse der Erde finden. In jedem Fall wird es unser Verständnis des Universums stärken.“
Das Nancy Grace Roman Space Telescope wird im Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, mit Beiträgen des Jet Propulsion Laboratory und Caltech/IPAC der NASA in Südkalifornien, des Space Telescope Science Institute in Baltimore und eines aus Wissenschaftlern bestehenden Wissenschaftsteams betrieben aus verschiedenen Forschungseinrichtungen. Zu den wichtigsten Industriepartnern gehören BAE Systems, Inc in Boulder, Colorado; L3Harris Technologies in Rochester, New York; und Teledyne Scientific & Imaging in Thousand Oaks, Kalifornien.