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Ein winziges primordiales Schwarzes Loch rast mit 7.000-facher Schallgeschwindigkeit am Mars vorbei.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)

Schwarze „Kugeln“ aus der Urzeit, die sich mit mehr als 7.000-facher Schallgeschwindigkeit fortbewegen, rasen möglicherweise durch unser Sonnensystem – und sie könnten eine winzige Erschütterung in der Bewegung des Mars verursachen. Letztlich könnte die Messung dieser Erschütterung dazu beitragen, eines der dringendsten Rätsel der Wissenschaft zu lösen: die wahre Natur der dunklen Materie.

Wissenschaftler glauben, dass primordiale schwarze Löcher am Anfang der Zeit entstanden sind. Diese Objekte unterscheiden sich stark von den sogenannten „astrophysikalischen Schwarzen Löchern“ wie Sagittarius A* (Sgr A*), das sich im Herzen der Milchstraße befindet. Während Sgr A* beispielsweise eine Masse hat, die etwa 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, geht man davon aus, dass primordiale Schwarze Löcher etwa so massiv sind wie ein Asteroid oder ein kleiner Mond und viel kleiner als Atome.

Einige Wissenschaftler stellen auch die Theorie auf, dass Anhäufungen dieser winzigen schwarzen Löcher für die dunkle Materie, den geheimnisvollsten „Stoff“ im Universum, verantwortlich sein könnten. Andere hingegen argumentieren, dass die ursprünglichen schwarzen Löcher vor langer Zeit durch die Emission der so genannten „Hawking-Strahlung“ verdampft wären, was bedeutet, dass sie nicht die Verdächtigen für die dunkle Materie im modernen Universum sein können. Nun schlägt ein Team von Physikern einen Weg vor, die Debatte zu klären: mit detaillierten Beobachtungen des Mars.

Die Wissenschaftler vermuten, dass, wenn die dunkle Materie tatsächlich aus urzeitlichen schwarzen Löchern besteht, diese mindestens einmal pro Jahrzehnt durch das Sonnensystem rasen sollten. Dieser Vorbeiflug könnte ein „Wackeln“ in der Umlaufbahn des Mars verursachen, das dank unserer präzisen Dokumentation der Umlaufbahn des Roten Planeten mit der heutigen Technologie nachweisbar ist.

„Dank jahrzehntelanger Präzisions-Telemetrie kennen die Wissenschaftler die Entfernung zwischen Erde und Mars mit einer Genauigkeit von etwa 10 Zentimetern“, sagte David Kaiser, Germeshausen-Professor für Wissenschaftsgeschichte am Massachusetts Institute of Technology, in einer Erklärung: „Wir nutzen diese hochgradig instrumentierte Region des Weltraums, um nach einem kleinen Effekt zu suchen.

„Wenn wir sie sehen, wäre das ein echter Grund, diese wunderbare Idee weiterzuverfolgen, dass die gesamte dunkle Materie aus schwarzen Löchern besteht, die in weniger als einer Sekunde nach dem Urknall entstanden sind und seit 14 Milliarden Jahren durch das Universum strömen.“

Großes Problem; kleine Lösung

Um zu verstehen, warum die dunkle Materie ein so großes Problem für die Physiker darstellt, muss man sich vor Augen führen, dass sie die „gewöhnlichen“ Teilchen um den Faktor fünf zu eins überwiegt. Das bedeutet, dass jeder Stern, Planet, Mond, Asteroid, jede Gaswolke, jede Rakete, jeder Satellit und jedes Raumschiff, über die Sie auf kosmischeweiten.de lesen oder die Sie durch Ihr Gartenteleskop beobachten, weniger als 20 % der Gesamtmasse des Universums ausmachen.

Wissenschaftler wissen, dass dunkle Materie nicht aus Atomen bestehen kann, die sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammensetzen. Das liegt daran, dass diese Teilchen mit Licht, genauer gesagt, mit elektromagnetischer Strahlung, wechselwirken. Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht – oder wenn doch, dann ist diese Wechselwirkung so schwach, dass sie nicht nachweisbar ist. Das macht die dunkle Materie für uns praktisch unsichtbar. Vielmehr können die Wissenschaftler die Existenz dunkler Materie nur aus ihrer Wechselwirkung mit der Schwerkraft ableiten und daraus, wie sich diese Wechselwirkung auf Licht und gewöhnliche Materie auswirkt – wie die 642 Millionen Billionen Tonnen Materie, aus denen der Mars besteht!

Eine Illustration einer Kavalkade primordialer schwarzer Löcher. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Bislang hat sich die Suche nach Kandidaten für dunkle Materie auf bisher unentdeckte Teilchen konzentriert. Da diese Suche jedoch immer ausgefeilter wird (aber immer noch zu keinem Ergebnis führt), wenden sich die Wissenschaftler zunehmend einer Idee zu, die erstmals in den 1970er Jahren geäußert wurde: Bei der dunklen Materie handelt es sich möglicherweise gar nicht um ein Teilchen, sondern um winzige schwarze Löcher, die vom Urknall übrig geblieben sind.

Diese primordialen schwarzen Löcher würden nicht durch den Kollaps massereicher Sterne entstehen, wie es bei stellaren schwarzen Löchern der Fall ist, oder eine Verschmelzungskette aus immer massereicheren schwarzen Lochpaaren bilden, wie es bei supermassereichen schwarzen Löchern der Fall ist. Stattdessen würden sich die primordialen Schwarzen Löcher, falls es sie gibt, aus dichten Gasansammlungen im frühen Universum gebildet haben, die durch die rasche Expansion des Kosmos über den Raum verteilt wurden.

Die Überlegungen zu den gravitativen Auswirkungen eines solchen primordialen Schwarzen Lochs begannen mit einer müßigen Überlegung.

„Ich glaube, jemand hat mich gefragt, was passieren würde, wenn ein urzeitliches Schwarzes Loch einen menschlichen Körper durchqueren würde“, sagte der Teamleiter Tung Tran, ein Doktorand an der Stanford University, in einer Erklärung.

Ausgehend von dieser Frage berechnete Tran, dass ein schwarzes Loch mit der Masse eines Asteroiden, das sich einem Menschen bis auf etwa 1 Meter nähert, diesen in einer einzigen Sekunde 6 Meter weit schieben würde. Warum passiert so etwas zum Glück nie? Nun, Tran fand auch heraus, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein urzeitliches Schwarzes Loch in der Nähe eines Menschen auf der Erde vorbeifliegt, verschwindend gering ist.

Interessiert überlegte Tran, dass man ein Objekt von viel größerer Größe und Breite als eine Person bräuchte, um die Wahrscheinlichkeit einer solchen Wechselwirkung zu erhöhen. Aber je massiver der Körper ist, desto geringer wäre der Effekt.

Primordiales Schwarzes Loch trifft auf Mars

Tran wandte sich zuerst unserem Erde/Mond-System zu.

„Wir haben extrapoliert, um zu sehen, was passieren würde, wenn ein schwarzes Loch an der Erde vorbeifliegt und den Mond ein wenig wackeln lässt“, sagte Tran. „Die Zahlen, die wir erhielten, waren nicht sehr klar. Es gibt viele andere Dynamiken im Sonnensystem, die als eine Art Reibung wirken könnten, um das Wackeln zu dämpfen.“

Um dieses sich entwickelnde Bild zu verdeutlichen, erstellten die Forscher eine einfache Simulation des Sonnensystems, in der die Gravitationswechselwirkungen zwischen den Planeten und den größten Monden in unserem kosmischen Hinterhof berücksichtigt wurden.

„Modernste Simulationen des Sonnensystems umfassen mehr als eine Million Objekte, von denen jedes einen winzigen Residualeffekt hat“, sagte Teammitglied und MIT Pappalardo Fellow Benjamin Lehmann in einer Erklärung. „Aber selbst bei der Modellierung von zwei Dutzend Objekten in einer sorgfältigen Simulation konnten wir sehen, dass es einen echten Effekt gibt, dem wir auf den Grund gehen können.“

Das Team schätzte dann ab, wie oft ein urzeitliches Schwarzes Loch theoretisch das Sonnensystem durchqueren würde, wenn man die Menge an dunkler Materie bedenkt, die in der Region des Weltraums um die Sonne vermutet wird.

„Primordiale Schwarze Löcher leben nicht im Sonnensystem. Vielmehr strömen sie durch das Universum und machen ihr eigenes Ding“, sagte Sarah Geller, Teammitglied und Postdoc an der University of California in Santa Cruz, in der Erklärung. “Und die Wahrscheinlichkeit ist, dass sie etwa alle 10 Jahre in einem bestimmten Winkel durch das innere Sonnensystem fliegen.“

Ein Diagramm, das erklärt, wie sich das Universum bei Vorhandensein primordialer schwarzer Löcher entwickeln würde. (Bildnachweis: ESA)

Auf der Grundlage der berechneten Rate der Durchgänge von primordialen schwarzen Löchern und unter Berücksichtigung der Masse dieser Kandidaten für dunkle Materie in der Größenordnung von Asteroiden kam das Team zu dem Schluss, dass diese winzigen schwarzen Löcher mit einer atemberaubenden Geschwindigkeit von 5,4 Millionen Meilen pro Stunde durch das Sonnensystem rasen würden, d. h. etwa 7.000 Mal so schnell wie die Schallgeschwindigkeit.

Das Team konzentrierte sich auf „nahe Begegnungen“ zwischen diesen rasenden Schwarzen Löchern und Körpern des Sonnensystems und entdeckte, dass der Mars tatsächlich ein besseres Ziel als die Erde oder der Mond darstellt – zumindest eines, das ein besseres Bild von den Wechselwirkungen zeichnet, an denen das Team interessiert ist.

Das Team fand heraus, dass ein schwarzes Loch aus der Urzeit, das in einer Entfernung von wenigen hundert Millionen Kilometern am Mars vorbeizieht, eine Abweichung in der Umlaufbahn des Roten Planeten verursachen würde. Zum Vergleich: Der Mars ist über 140 Millionen Meilen von der Erde entfernt, eine Entfernung, die 225 Billionen Mal größer ist als der vorgeschlagene Effekt.

Dessen ungeachtet geht das Team davon aus, dass die Instrumente, mit denen der Mars derzeit überwacht wird, in der Lage wären, eine solche kleine Abweichung zu erkennen.

Eine Illustration zeigt, wie die dunkle Materie die Bewegung des Mars ins Taumeln bringt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))Doch selbst wenn diese Abweichung in den nächsten Jahrzehnten entdeckt würde, müssten die Wissenschaftler immer noch bestätigen, dass sie tatsächlich von einem urzeitlichen Schwarzen Loch und nicht von einem vorbeifliegenden Asteroiden mit derselben Masse verursacht wurde.

„Wir brauchen so viel Klarheit wie möglich über die zu erwartenden Hintergründe, wie z. B. die typischen Geschwindigkeiten und Verteilungen von langweiligem Weltraumgestein, im Vergleich zu diesen ursprünglichen Schwarzen Löchern“, sagte Kaiser. „Zum Glück für uns haben Astronomen jahrzehntelang gewöhnliche Weltraumfelsen auf ihrem Weg durch unser Sonnensystem verfolgt, so dass wir typische Eigenschaften ihrer Flugbahnen berechnen und sie mit den sehr unterschiedlichen Arten von Bahnen und Geschwindigkeiten vergleichen konnten, denen primordiale Schwarze Löcher folgen sollten.“

„Es ist ein sehr sauberer Test, den sie vorgeschlagen haben, und er könnte uns sagen, ob das nächste Schwarze Loch näher ist, als wir denken“, sagte Matt Caplan, außerordentlicher Professor für Physik an der Illinois State University, der nicht an der Studie beteiligt war, in der Erklärung. „Ich sollte betonen, dass auch ein bisschen Glück im Spiel ist. Ob die Suche ein lautes und deutliches Signal ergibt oder nicht, hängt von dem genauen Weg ab, den ein wanderndes Schwarzes Loch durch das Sonnensystem nimmt.

„Nun, da sie diese Idee mit Simulationen überprüft haben, müssen sie den schwierigen Teil tun – die Überprüfung der realen Daten. “Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Dienstag (17. September) in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.