Eine Illustration zeigt das Nancy Grace Roman Weltraumteleskop umgeben von urzeitlichen schwarzen Löchern.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)
Die Woche der Schwarzen Löcher ist in vollem Gange, und zur Feier des Tages hat die NASA erklärt, wie ihr nächstes großes astronomisches Instrument, das Nancy Grace Roman Space Telescope, nach winzigen Schwarzen Löchern suchen wird, die auf den Urknall zurückgehen.
Wenn wir an Schwarze Löcher denken, stellen wir uns in der Regel riesige kosmische Monster wie stellarmasse Schwarze Löcher mit einer Masse vor, die zehn- bis hundertmal so groß ist wie die der Sonne. Wir können uns sogar supermassereiche Schwarze Löcher vorstellen, die Millionen (oder sogar Milliarden) Mal so groß sind wie die Sonne und im Herzen von Galaxien sitzen und ihre Umgebung dominieren.
Wissenschaftler stellen jedoch die Theorie auf, dass das Universum auch mit weitaus weniger massereichen, relativ federleichten Schwarzen Löchern bevölkert sein könnte, die etwa die Masse der Erde haben. Diese schwarzen Löcher könnten eine Masse haben, die so gering ist wie die eines großen Asteroiden. Wissenschaftler vermuten auch, dass solche schwarzen Löcher seit Anbeginn der Zeit, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, existieren.
Diese Schwarzen Löcher, die auch als „primordiale Schwarze Löcher“ bezeichnet werden, sind bisher rein theoretisch geblieben, aber Roman, der Ende 2026 starten soll, könnte das ändern: Winzige schwarze Löcher, die vom Urknall übrig geblieben sind, könnten die Hauptverdächtigen für dunkle Materie sein
„Die Entdeckung einer Population erdgroßer primordialer schwarzer Löcher wäre ein unglaublicher Schritt sowohl für die Astronomie als auch für die Teilchenphysik, da diese Objekte durch keinen bekannten physikalischen Prozess entstehen können“, sagte William DeRocco, ein Postdoktorand an der University of California Santa Cruz, der ein Team leitete, das untersuchte, wie Roman diese uralten winzigen schwarzen Löcher aufspüren könnte, in einer Erklärung.
Inhaltsübersicht
Wenn es um Ereignishorizonte geht, spielt die Masse eine Rolle
Die kleinsten Schwarzen Löcher, deren Existenz jemals bestätigt wurde, sind Schwarze Löcher mit stellarer Masse, die entstehen, wenn massereichen Sternen der Brennstoff ausgeht, der für die Kernfusion in ihrem Kern benötigt wird. Sobald diese Fusion nicht mehr stattfindet, kollabieren diese Sterne unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft. Die Mindestmasse, die ein Stern benötigt, um ein stellares Schwarzes Loch zu hinterlassen, beträgt in der Regel das Achtfache der Sonnenmasse – bei einer geringeren Masse endet der Stern als Neutronenstern oder Weißer Zwerg.
Allerdings herrschten im Universum zu Beginn seiner Entwicklung ganz andere Bedingungen als in der heutigen Zeit. Als sich der Kosmos in einem heißen, dichten und turbulenten Zustand befand, konnten viel kleinere Ansammlungen von Materie kollabieren und schwarze Löcher entstehen.
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Alle Schwarzen Löcher „beginnen“ an einer äußeren Grenze, die als „Ereignishorizont“ bezeichnet wird, dem Punkt, jenseits dessen nicht einmal Licht dem Gravitationseinfluss entkommen kann. Die Entfernung eines Ereignishorizonts von der zentralen Singularität des Schwarzen Lochs, dem unendlich dichten Punkt, an dem alle Gesetze der Physik zusammenbrechen, wird durch die Masse des Schwarzen Lochs bestimmt.
Das bedeutet, dass der Ereignishorizont des supermassiven Schwarzen Lochs M87*, das eine Masse hat, die etwa 2,4 Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne, einen Durchmesser von etwa 15,4 Milliarden Meilen (24,8 Milliarden Kilometer) hat, während der Ereignishorizont eines stellaren Schwarzen Lochs mit der Masse von 30 Sonnen nur etwa 110 Meilen (177 Kilometer) breit wäre. Der Ereignishorizont eines schwarzen Lochs mit der Masse der Erde wäre dagegen nicht breiter als ein Zehncentstück. Ein primordiales Schwarzes Loch mit der Masse eines Asteroiden hätte einen Ereignishorizont mit einer Breite kleiner als ein Proton.
Eine Illustration einer Kavalkade primordialer schwarzer Löcher. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Wissenschaftler, die das Konzept der primordialen schwarzen Löcher befürworten, gehen davon aus, dass sie während der anfänglichen Aufblähung des Universums, die wir als Urknall bezeichnen, entstanden sind. Als sich der Kosmos mit einer Geschwindigkeit ausbreitete, die größer als das Licht war (dies ist möglich, da sich im Weltraum nichts schneller als das Licht bewegen kann, wohl aber der Weltraum selbst), vermuten die Wissenschaftler, dass Regionen, die dichter als ihre Umgebung waren, kollabierten und dabei massearme schwarze Löcher entstanden.
Allerdings lehnen viele Forscher das Konzept der ursprünglichen schwarzen Löcher im heutigen Universum ab, und zwar wegen Stephen Hawking.
Sterben schwarze Löcher?
Eine der revolutionärsten Theorien von Stephen Hawking besagt, dass nicht einmal schwarze Löcher ewig bestehen können. Der große Physiker war der Meinung, dass schwarze Löcher eine Art Wärmestrahlung abgeben, ein Konzept, das später ihm zu Ehren „Hawking-Strahlung“ genannt wurde.
Wenn schwarze Löcher Hawking-Strahlung abgeben, verlieren sie an Masse und explodieren schließlich. Je kleiner die Masse eines Schwarzen Lochs ist, desto schneller sollte es Hawking-Strahlung abgeben. Das bedeutet, dass dieser Prozess bei supermassereichen schwarzen Löchern länger dauern würde als die Lebensdauer des Universums. Aber winzige Schwarze Löcher würden viel schneller entweichen und müssten daher auch viel schneller sterben.
Es ist also eine Herausforderung zu erklären, wie ursprüngliche Schwarze Löcher 13,8 Milliarden Jahre überdauern konnten, ohne sich zu verflüchtigen. Wenn es Roman gelingt, diese kosmischen Fossilien zu entdecken, würde dies ein grundlegendes Überdenken vieler Prinzipien der Physik bedeuten.
Eine Infografik, die zeigt, wie lange Schwarze Löcher verschiedener Größe voraussichtlich leben werden, wenn sie Hawking-Strahlung abgeben. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Es würde sich auf alles auswirken, von der Galaxienbildung 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, in der Erklärung. „Ihre Identität zu bestätigen, wird harte Arbeit sein, und die Astronomen werden viel Überzeugungsarbeit leisten müssen, aber es würde sich lohnen.“
Das Aufspüren primordialer schwarzer Löcher wäre ebenfalls keine leichte Aufgabe. Wie jedes Schwarze Loch wären diese Hohlräume durch einen Ereignishorizont begrenzt und würden weder Licht aussenden noch reflektieren. Das bedeutet, dass die einzige Möglichkeit, sie aufzuspüren, darin besteht, ein Prinzip anzuwenden, das Albert Einstein 1915 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie entwickelt hat.
Team mit Einstein
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass alle Objekte mit Masse eine Krümmung in der Struktur von Raum und Zeit verursachen, die als eine einzige vierdimensionale Einheit, die „Raumzeit“ genannt wird, vereint sind. Wenn Licht von einer Hintergrundquelle die Krümmung passiert, wird sein Weg gekrümmt. Je näher das Licht an einem Objekt vorbeigeht, desto stärker wird seine Bahn gekrümmt. Das bedeutet, dass Licht von ein und demselben Objekt zu unterschiedlichen Zeiten in einem Teleskop ankommen kann. Dies wird als Gravitationslinseneffekt bezeichnet.
Wenn das Objekt, das die Linse bildet, unglaublich massiv ist, wie z. B. eine Galaxie, kann sich die Hintergrundquelle an eine scheinbare Position verschieben oder sogar an mehreren Stellen auf demselben Bild erscheinen. Wenn das Objekt, das die Linse bildet, eine geringere Masse hat, wie z. B. ein primordiales Schwarzes Loch, ist der Linseneffekt geringer, aber er kann eine Aufhellung der Hintergrundquellen verursachen, die nachgewiesen werden kann. Dieser Effekt wird Mikrolensing genannt.
Ein Diagramm zeigt ein primordiales Schwarzes Loch, das Gravitationslinsen verursacht und seine Existenz für das römische Weltraumteleskop offenbart (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)
Microlensing wird derzeit mit großem Erfolg zur Entdeckung von Schurkenplaneten eingesetzt, d. h. von Welten, die ohne einen Mutterstern durch die Milchstraße treiben. Dies hat eine große Population von Schurkenplaneten mit etwa Erdmasse aufgedeckt – mehr als die theoretischen Modelle vorhersagen. Aufgrund dieses Musters sagen die Wissenschaftler voraus, dass Roman die Zahl der entdeckten erdgroßen Schurkenplaneten verzehnfachen wird.
Die Häufigkeit dieser Objekte hat zu Spekulationen geführt, dass es sich bei einigen dieser erdgroßen Objekte um primordiale schwarze Löcher handeln könnte. „Es gibt keine Möglichkeit, von Fall zu Fall zwischen erdgroßen Schwarzen Löchern und Schurkenplaneten zu unterscheiden“, sagte DeRocco. „Roman wird extrem leistungsfähig sein, um statistisch zwischen den beiden zu unterscheiden.“
„Dies ist ein aufregendes Beispiel für etwas, was zusätzliche Wissenschaftler mit den Daten machen könnten, die Roman bereits bei der Suche nach Planeten erhält“, sagte Sahu. „Und die Ergebnisse sind interessant, unabhängig davon, ob die Wissenschaftler Beweise für die Existenz erdgroßer schwarzer Löcher finden oder nicht. Es würde in jedem Fall unser Verständnis des Universums stärken.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Januar in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.
