Winzige Schwarze Löcher, die Sekunden nach der Geburt des Universums entstanden, existieren möglicherweise länger als erwartet. Dies lässt Forscher vermuten, dass primordiale Schwarze Löcher die Quelle der Dunklen Materie sein könnten, der geheimnisvollsten Substanz im Universum.
Dunkle Materie ist derzeit eines der drängendsten Probleme der Physik. Denn obwohl sie etwa 85 % der Materie im Weltraum ausmacht, bleibt sie für unser Auge praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert. Die Studie wurde 2024 auf Space.com veröffentlicht.
Da die Teilchen, aus denen die Atome unserer alltäglichen Objekte wie Sterne, Planeten und unseres eigenen Körpers bestehen, eindeutig mit Licht interagieren, hat dies die Suche nach Dunkle-Materie-Teilchen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik ausgelöst. Viele Wissenschaftler glauben, dass die Antwort auch im Standardmodell liegen könnte, wenn wir kosmische Objekte betrachten, die wir üblicherweise als unglaublich massiv und sogar monströs betrachten: Schwarze Löcher.
Valentin Toss und Ana Alexander vom Max-Planck-Institut vermuten, dass winzige Schwarze Löcher, die vor mehr als 13,8 Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall, entstanden und nicht größer als ein Proton sind, Klumpen bilden könnten, die potenzielle Quellen dunkler Materie sein könnten, ohne dass dafür neue physikalische Erkenntnisse gewonnen werden müssten.
Abbildung einer Wolke aus dunkler Materie. Könnte es sich tatsächlich um einen Haufen Schwarzer Löcher handeln? Röntgen: NASA/CXC/CfA/M.Markevich et al.; Optisch: NASA/STScI; Magellan/University of Arizona/D.Clow et al.; Linsenkarte: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/University of Arizona/D.Clow et al.
Der jüngste Wandel in der Denkweise über die „Verdampfung“ Schwarzer Löcher hat nicht nur zu einer Neubewertung der Möglichkeit primordialer Schwarzer Löcher als Quelle dunkler Materie geführt. Da die Suche nach Teilchen dunkler Materie nach wie vor weitgehend erfolglos bleibt, könnten auch mehr Forscher beginnen, die Theorie primordialer Schwarzer Löcher als Quelle dunkler Materie ernster zu nehmen.
„Wie der Name schon sagt, sind ‚primordiale Schwarze Löcher‘ eine Art Schwarze Löcher, die sich früh im Universum bilden“, sagte Toss gegenüber Space.com. „Im Grunde genommen innerhalb des ersten Sekundenbruchteils der Existenz des Universums.“
Er erklärte, dass alle Strukturen, die wir im Universum sehen – von Galaxien-Superhaufen bis hin zu den Galaxien selbst – aus kleinen, im frühen Universum vorhandenen Hohlräumen mit erhöhter Dichte entstanden seien. Wenn es im frühen Universum viel größere Dichteschwankungen gab als die, die diese Strukturen erzeugten, und diese Schwankungen vor der Entstehung der Galaxien zusammenbrachen, könnten diese Hohlräume mit erhöhter Dichte die Grundlage für die Entstehung primordialer Schwarzer Löcher gebildet haben.
Anatomie eines Schwarzen Lochs. Unabhängig von ihrer Größe haben alle Schwarzen Löcher einen Ereignishorizont. ESO
Toss fügte hinzu, dass diese primordialen Schwarzen Löcher je nach Zeitpunkt und Ausmaß des Kollapses sehr unterschiedliche Massen haben könnten. Die Massen der primordialen Schwarzen Löcher, die Toss und Alexander als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie betrachteten, würden zwischen einigen Tonnen und tausend Tonnen liegen, weniger als die Masse eines Planeten und eher der Masse eines kleinen Asteroiden entsprechen.
Wenn man bedenkt, dass die kleinsten Schwarzen Löcher, die Wissenschaftler bisher entdeckt haben, sogenannte Schwarze Löcher mit Sternmasse, Massen von 3 bis 50 Sonnenmassen haben, was wiederum 2,2 mal 1027 (22 gefolgt von 26 Nullen) Tonnen entspricht, sind diese primordialen Schwarzen Löcher unglaublich klein.
Wie ihre größeren Gegenstücke – Schwarze Löcher, die entweder durch den Kollaps massereicher Sterne oder durch die Verschmelzung relativ kleinerer Schwarzer Löcher entstehen – hätten primordiale Schwarze Löcher eine lichtblockierende äußere Grenze, den sogenannten Ereignishorizont, sagte Alexander. Der Durchmesser dieses Horizonts wird durch die Masse des Schwarzen Lochs bestimmt, was bedeutet, dass der Ereignishorizont in solchen Fällen unglaublich klein wäre. „Kleiner als der Radius eines Protons“, sagte Alexander.
Zuvor wurden kleine primordiale Schwarze Löcher als Kandidaten für Dunkle Materie ausgeschlossen, da man davon ausging, dass alle Schwarzen Löcher eine besondere Art von Wärmestrahlung „aussenden“, die erstmals 1974 von Stephen Hawking vorgeschlagen und später als „Hawking-Strahlung“ bezeichnet wurde.
Ein Diagramm, das die Expansionsgeschichte des Universums zeigt. Primordiale Schwarze Löcher könnten sich aufgrund von Dichteschwankungen gebildet haben, bevor die ersten Sterne entstanden. NASA/WMAP Science Team/Bild von Dana Berry
Je kleiner ein Schwarzes Loch ist, desto schneller sollte es Hawking-Strahlung aussenden und daher auch schneller verdampfen. Das bedeutet: Wenn es jemals primordiale Schwarze Löcher gegeben hat, dürften die kleinsten Exemplare heute nicht mehr existieren, obwohl es offensichtlich Dunkle Materie gibt.
„Urzeitliche Schwarze Löcher mit den Massen, die Ana und ich jetzt betrachten, wurden zuvor im Wesentlichen ausgeschlossen, weil man davon ausging, dass sie zu diesem Zeitpunkt bereits vollständig im Universum verdampft waren“, sagte Toss.
Neuere Arbeiten von Georgi Dvali, einem theoretischen Physiker an der Universität München, der mit Thoss und Alexander zusammengearbeitet hat, haben jedoch gezeigt, dass der Verdampfungsprozess an einem bestimmten Punkt stoppt, was bedeutet, dass primordiale Schwarze Löcher mit den von den Wissenschaftlern in Betracht gezogenen Massen einen halbstabilen Zustand erreichen könnten.
„Um seine Masse durch Hawking-Strahlung zu reduzieren, muss ein Schwarzes Loch seine Informationen oder etwas anderes ‚umschreiben‘. Dieser Umschreibprozess braucht Zeit“, erklärte Alexander. „Man nennt das ‚Gedächtnislast‘, weil dieses Gedächtnis nun auf etwas anderes übertragen werden muss und den gesamten Verdampfungsprozess verlangsamt. Es handelt sich also um eine Art Stabilisierung.“
Dieser „Fluchtmechanismus“ bedeutet, dass primordiale Schwarze Löcher erneut zu potenziellen Kandidaten für Dunkle Materie werden.
Die Tatsache, dass es im heutigen Universum möglicherweise primordiale Schwarze Löcher gibt, bedeutet jedoch nicht, dass man sie als Quelle der Dunklen Materie betrachten sollte. Es gibt jedoch andere Gründe, diese winzigen hypothetischen Schwarzen Löcher mit der mysteriösen Materie in Verbindung zu bringen, aus der das Universum besteht.
Der vielleicht offensichtlichste Zusammenhang ist die fehlende Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Licht. Dunkle Materie emittiert oder reflektiert weder Licht, und der Ereignishorizont, der alle Schwarzen Löcher umschließt, ist der Punkt, an dem die zum Durchqueren erforderliche Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Das bedeutet, dass primordiale Schwarze Löcher das gesamte einfallende Licht „einfangen“ würden, was zu der scheinbar fehlenden Wechselwirkung führt.
Abbildung einer Ansammlung winziger primordialer Schwarzer Löcher, die möglicherweise die Quelle dunkler Materie sind. Robert Lee
„Wenn primordiale Schwarze Löcher leicht genug sind, etwa so groß wie Planeten, verhalten sie sich in allen für uns relevanten Bereichen wie Dunkle-Materie-Partikel“, sagte Toss. „In Standardmodellen ist Dunkle Materie ‚kollisionsfrei‘, sodass Dunkle-Materie-Partikel nicht so stark miteinander interagieren, dass sie das Universum beeinflussen.“
Er fügte hinzu, dass primordiale Schwarze Löcher, wenn sie leichter als Planetenmassen wären, selbst im kosmischen Zeitmaßstab so klein wären, dass Kollisionen extrem selten wären. Diese primordialen Schwarzen Löcher würden sich wahrscheinlich zusammenballen und die Gravitationseffekte erzeugen, die wir heute der Dunklen Materie zuschreiben, wie etwa die Ausübung einer Gravitationskraft auf schnell rotierende Galaxien, um ein Auseinanderfliegen zu verhindern.
Doch wenn sich primordiale Schwarze Löcher zusammenballen müssen, um die Auswirkungen der Dunklen Materie zu erklären, was hindert sie dann daran, sich anzunähern und zu größeren Schwarzen Löchern zu verschmelzen? Würde sich ein Haufen winziger Schwarzer Löcher nicht irgendwann zu einem einzigen riesigen Schwarzen Loch entwickeln? Thoss sagte, diese Frage sei untersucht worden, und die Antwort sei einfach: „Nein.“
„Selbst wenn man die Clusterbildung berücksichtigt, sind die Zeitskalen der Verschmelzungen so groß, dass sie in der gesamten Geschichte des Universums nur zu wirklich massereichen Schwarzen Löchern verschmelzen konnten“, fuhr er fort.
Toss fügte hinzu, dass das Schöne an der Verwendung primordialer Schwarzer Löcher als Erklärung für dunkle Materie darin liege, dass im Gegensatz zur Heranziehung eines hypothetischen Teilchens wie dem Axion zur Erklärung des Rätsels für primordiale Schwarze Löcher keine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik erforderlich sei – der besten Erklärung, die wir für das Universum auf subatomarer Ebene haben.
Es wird jedoch unglaublich schwierig sein zu bestätigen, dass primordiale Schwarze Löcher aus dunkler Materie bestehen, falls sie das Phänomen erklären. Ihre Fähigkeit, Licht einzufangen, macht sie praktisch unsichtbar. Außerdem üben sie aufgrund ihrer geringen Größe nicht die gleiche starke Gravitationskraft aus wie ihre stellaren und supermassiven Verwandten.
Selbst wenn eine Ansammlung primordialer Schwarzer Löcher entdeckt würde, gäbe es keine wirkliche Möglichkeit, zwischen vielen kleinen Schwarzen Löchern und einem großen Schwarzen Loch zu unterscheiden.
Trotz dieser Schwierigkeit wollen Toss und Alexander die Erforschung primordialer Schwarzer Löcher fortsetzen – zumindest theoretisch. Sollten sich Kandidatenteilchen der Dunklen Materie weiterhin der Entdeckung entziehen, liegt die Lösung vielleicht darin, mehr Physiker dazu zu bewegen, die metaphorische Grenze zwischen Teilchenphysik und Kosmologie zu analysieren.
„Ich würde nicht sagen, dass primordiale Schwarze Löcher jemals als Kandidaten für Dunkle Materie ausgeschlossen wurden; obwohl sie eine Zeit lang ignoriert wurden“, sagte Alexander. „Da wir jetzt keine Daten über Dunkle-Materie-Partikel haben, denke ich, dass es immer relevanter wird, diese Option in Betracht zu ziehen.“
Die nächste Theorie: Dunkle Materie, das geheimnisvollste „Material“ im Universum, könnte eine Art kosmischer Mittelsmann sein, der es supermassiven Schwarzen Löchern ermöglicht, die letzte Hürde zu überwinden, bevor sie kollidieren und zu einem einzigen verschmelzen.
Astronomen wissen seit langem, dass bei der Kollision von Galaxien zu größeren, unförmigen Galaxien auch die supermassereichen Schwarzen Löcher in ihren Zentren zueinander hingezogen werden. Schließlich verschmelzen auch diese Schwarzen Löcher und erzeugen ein noch monströseres supermassereiches Schwarzes Loch sowie einen schrillen Schrei durch das Gefüge von Raum und Zeit, die sogenannten Gravitationswellen. Die Ergebnisse von Alonso-Alvarez und seinem Team werden in einem am 9. Juli 2025 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Artikel diskutiert.
Während die Entdeckung von Gravitationswellen uns Beweise für diesen Kollisionsprozess geliefert hat und für unser Verständnis, wie supermassereiche Schwarze Löcher Massen erreichen, die Millionen oder sogar Milliarden Sonnen entsprechen, von grundlegender Bedeutung ist, gibt es ein ungelöstes Problem.
Das Diagramm zeigt die drei Hauptphasen der Verschmelzung Schwarzer Löcher, wobei Phase 2 die theoretische Phase ist, die das endgültige Parsec-Problem erklärt. Robert Lee. Space.com
Astrophysiker verfügen über gute Modelle für die späten Phasen der Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher. Doch noch immer ist unklar, wie diese kosmischen Giganten die letzten 3,3 Lichtjahre (auch bekannt als „Parsec“) zwischen ihnen zurücklegen, um den Verschmelzungsprozess einzuleiten. Dieses Problem wird als „letztes Parsec-Problem“ bezeichnet.
Dunkle Materie könnte supermassiven Schwarzen Löchern dabei helfen, den Verschmelzungsprozess einzuleiten, aber diese Theorie funktioniert nur, wenn die Dunkle-Materie-Partikel miteinander interagieren.
Der Prozess der Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher ist kompliziert, da die beiden Schwarzen Löcher zunächst zueinander finden, ein Doppelsternsystem bilden und sich dann der Abstand zwischen ihnen langsam verringert. Als der Abstand zwischen den beiden Schwarzen Löchern etwa ein Parsec betrug, waren Wissenschaftler besorgt, da die Verschmelzung nach bestehenden Berechnungen ins Stocken geraten zu sein schien.
Diese Entdeckung basiert auf mathematischen Modellen und der Wechselwirkung dunkler Materie mit sich selbst. Genauer gesagt müssen sich dunkle Materieteilchen bei einer Kollision zerstreuen, um zwischen Schwarzen Löchern vermitteln zu können.
Ein Kreisdiagramm, das zeigt, wie viel dunkle Materie die „normale“ Materie im Universum übersteigt, aus der alles besteht, was wir sehen. Robert Lee. Space.com
Aus diesem Grund könnte die Befolgung dieser Theorie nicht nur das letzte Parsec-Problem lösen, sondern vielleicht auch endlich herausfinden, woraus dunkle Materie besteht, und damit eines der grundlegendsten Rätsel der Wissenschaft lösen.
Dunkle Materie besteht möglicherweise nicht nur aus Teilchen, die nicht in unsere besten Modelle der subatomaren Welt passen, sondern ist möglicherweise auch wesentlich massereicher als Teilchen „alltäglicher“ Materie.
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Die Zahl der Dunkle-Materie-Partikel ist im Verhältnis 5:1 bis 6:1 höher als die der normalen Partikel. Das bedeutet, dass alles, was Sie um sich herum sehen, nur 15 % der Masse des Kosmos ausmacht.
Wir wissen, dass dunkle Materie existiert, weil sie zwar nicht mit Licht oder normaler Materie interagiert, aber mit der Schwerkraft. Wenn dies geschieht, können die dadurch verursachten Effekte das Verhalten von normaler Materie und Licht beeinflussen. Forscher haben beispielsweise herausgefunden, dass ohne den Gravitationseinfluss der dunklen Materie die von der Masse von Sternen, Gas, Planeten und Monden in Galaxien ausgeübte Schwerkraft nicht ausreichen würde, um deren schnelles Auseinanderfliegen zu verhindern.
Alonso-Alvarez erklärte, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher bei der ersten Verschmelzung von Galaxien weit voneinander entfernt sind. Schließlich beginnen sie ihre Reise zum Zentrum der verschmelzenden Galaxien, das zum Ort ihrer eigenen Verschmelzung und zum Herzen des neu entstandenen Galaxienkonglomerats wird.
Diese Reise wird durch den Energieverlust der Schwarzen Löcher erleichtert und verläuft in drei verschiedenen Phasen.
In der ersten Phase rasen die Schwarzen Löcher an vielen Sternen vorbei und interagieren mit ihnen gravitativ. Durch diese Wechselwirkung ändern die Schwarzen Löcher ihre Geschwindigkeit und werden langsamer. Dieser Geschwindigkeitsverlust ermöglicht es der Massenkonzentration im Zentrum der Verschmelzung, einen Gravitationseffekt auf die Schwarzen Löcher auszuüben, wodurch sie sich relativ langsam aufeinander zubewegen.
Dieser Energieverlust spielt auch noch eine große Rolle, nachdem die supermassereichen Schwarzen Löcher die letzten 3,3 Lichtjahre zurückgelegt und ein Doppelsternsystem gebildet haben – die dritte Phase dieses Prozesses. An diesem Punkt umkreisen sich die beiden Hohlräume gegenseitig und erzeugen Gravitationswellen. Wenn sich diese Wellen vom Doppelsternsystem ausbreiten, nehmen sie Drehimpuls mit und verlieren so Rotationsenergie.
Dieser sehr effiziente Energieverlust führt dazu, dass sich die beiden Schwarzen Löcher immer mehr annähern und ihre Verschmelzung unumkehrbar wird. Je enger ihre Umlaufbahnen werden, desto schneller senden sie Gravitationswellen aus. Schließlich, wenn sich die supermassereichen Schwarzen Löcher immer näher kommen, überwiegt ihr Gravitationseinfluss, und sie kollidieren.
Die zweite Phase ist die Phase zwischen der Energieübertragung auf die Sterne und dem Energieverlust durch Gravitationswellen.
Die Wechselwirkung mit Sternen ist nur dann wirklich effektiv, wenn die Schwarzen Löcher sehr weit voneinander entfernt sind, also in Abständen von mehr als einem Parsec, und Gravitationsstrahlung tritt nur auf, wenn sie näher als Bruchteile eines Parsecs sind.
Alonso-Alvarez und seine Kollegen vermuten, dass, wenn supermassereiche Schwarze Löcher Entfernungen von 3,3 Lichtjahren erreichen und keine Energie mehr auf Sterne übertragen können, die Dunkle Materie die Oberhand gewinnt und durch einen Prozess namens „dynamische Reibung“ beginnt, Energie zu extrahieren.
Wenn sich Schwarze Löcher durch diese dichte „Dunkle Materie“ bewegen, erzeugen sie Reibung, die der Reibung eines Objekts ähnelt, das sich durch eine viskose Flüssigkeit bewegt. Modelliert man Dunkle Materie als Flüssigkeit, so verleihen ihr die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen der Dunklen Materie eine hohe Viskosität. Die hohe Viskosität einer normalen Flüssigkeit gibt an, wie schwer es für ein Objekt ist, sie zu durchdringen. In diesem Fall wird diese Reibung ausschließlich durch die Schwerkraft erzeugt. Die Wechselwirkung mit dem Schwarzen Loch erfolgt ausschließlich durch die Schwerkraft.
Ohne die Streuung der Dunklen Materie würde dieser Mechanismus schlicht nicht funktionieren. Der Grund dafür ist, dass die Energie, die Schwarze Löcher durch Reibung und Dunkle Materie verlieren, in die Geschwindigkeitserhöhung der Dunkle-Materie-Teilchen fließt. Ohne Viskosität würden die Dunkle-Materie-Teilchen weit über diesen endlichen Parsec-Bereich hinaus gestreut.
Dies würde bedeuten, dass in diesem zentralen Bereich nach kurzer Zeit keine Dunkle Materie mehr vorhanden wäre, um die nötige Reibung zu erzeugen. Kommt es jedoch zu einer Selbstwechselwirkung der Dunklen Materie, würde es zu einer Umverteilung dieser Energie zwischen den Teilchen im zentralen Bereich der Galaxie kommen, sodass sich die Dunkle Materie nicht auflöst.
Die Wechselwirkungen Dunkler Materie mit supermassereichen Schwarzen Löchern könnten auch Berechnungen von Dunkle-Materie-Halos um Galaxien erklären, deren Formen sich durch Modelle der „kalten Dunklen Materie“ nicht vollständig erklären lassen. Diese Modelle gehen davon aus, dass sich diese mysteriöse Materie langsam bewegt (daher der Name „kalt“) und nicht mit sich selbst wechselwirkt. Sollte die Theorie der Dunkle-Materie-Mediatoren von Alonso-Alvarez und seinen Kollegen zutreffen, könnte dies eine Abkehr von der Theorie der kalten Dunklen Materie erfordern.
Zusätzlich wird ein unbekanntes krafttragendes Teilchen benötigt, um die Wechselwirkungen zwischen Dunkle-Materie-Teilchen zu vermitteln. Diese Studie lieferte dem Team einige Hinweise auf die Natur dieses Teilchens. Ein krafttragendes Teilchen, ein sogenanntes Boson, fungiert als Vermittler und unterstützt die Wechselwirkung anderer Teilchen. Beispielsweise nutzt die elektromagnetische Kraft Photonen, also Lichtteilchen, als Kraftträger, während die Gravitation vermutlich ein Boson, ein sogenanntes Gluon, nutzt.
Zwei supermassive Schwarze Löcher vor dem Hintergrund des Netzes aus dunkler Materie, das sie anzieht. Robert Lee. Space.com
„Wir gingen von der naiven Vorstellung aus, dass die Selbstinteraktionen der Dunklen Materie lediglich zur Lösung dieses letzten Parsec-Problems beitragen würden. Wir glaubten jedoch nicht, dass wir vorhersagen könnten, welche Selbstinteraktionen bevorzugt würden“, sagte Alonso-Alvarez. „Als wir unsere Berechnungen verfeinerten, stellten wir fest, dass tatsächlich ein ganz bestimmtes Modell bevorzugt wurde, bei dem der Kraftträger eine Masse von etwa einem Prozent der Masse des Dunkle-Materie-Teilchens hatte. Keine der anderen von uns ausprobierten Optionen funktionierte.“
„Die Berechnungen, die wir für dieses Papier durchgeführt haben, waren rein analytisch. Wir arbeiten jetzt an der Erstellung von Simulationen, um diesen Mechanismus besser zu verstehen“, sagte Alonso-Alvarez.
Der Physiker fügte hinzu, dass Beobachtungsbeweise für diese Theorie von Ansammlungen hochpräziser rotierender Neutronensterne, sogenannten Pulsar-Arrays, stammen könnten, die Wissenschaftler als präzise kosmische Uhren nutzen. Entscheidend hierfür sei die Untersuchung des Hintergrundrauschens im Weltraum, der sogenannten Gravitationswellenhintergrund, die im Laufe der Geschichte des Universums durch die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher entsteht.
„Man kann den Einfluss von Dunkler Materie und Reibung auf dieses Signal untersuchen und Vorhersagen darüber treffen, wie die Anwesenheit von Dunkler Materie das Signal verändert“, fügte Alonso-Alvarez hinzu. „Das Interessanteste daran ist, dass man dies gleichzeitig mit Hinweisen auf Selbstwechselwirkungen von Dunkler Materie auf galaktischen Skalen von vielen tausend Parsecs vergleichen kann.“
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
