Künstlerische Darstellung eines supermassiven Schwarzen Lochs. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Dunkle Materie könnte zur Entstehung riesiger schwarzer Löcher im frühen Universum beigetragen haben, schlagen Forscher in einer neuen Arbeit vor.
Weitere Beobachtungen, insbesondere mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, enthüllen wahrhaft gigantische schwarze Löcher, die im relativ jungen Universum entstanden sind. Nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall scheint unser Kosmos bereits schwarze Löcher beherbergt zu haben, die milliardenfach massiver sind als die Sonne.
Die einzige bekannte Möglichkeit, Schwarze Löcher zu erzeugen, ist das Sterben massereicher Sterne, doch dabei entstehen Schwarze Löcher mit einigen Dutzend Sonnenmassen. Das Problem mit dem frühen Auftreten der riesigen Schwarzen Löcher ist, dass einfach nicht genug Zeit war, um die ersten Sterne entstehen und sterben zu lassen, damit diese kleinen Schwarzen Löcher genug Material verbrauchen, um den Status eines supermassiven Lochs zu erreichen.
Vielleicht hatte das frühe Universum also eine andere Möglichkeit, große schwarze Löcher zu bilden und den Prozess in Gang zu setzen. Am einfachsten ist es, große Wolken aus Wasserstoff und Helium in sich selbst kollabieren zu lassen und so die Bildung von Sternen ganz zu überspringen und direkt zur Bildung von Schwarzen Löchern überzugehen.
Aber kollabierende Gaswolken neigen dazu, molekularen Wasserstoff zu bilden, der das Gas sehr effizient abkühlt. Anstatt zu kollabieren, führt dies dazu, dass die Wolke in viele kleinere Teile zerfällt, wodurch ein Haufen neugeborener Sterne entsteht und der direkte Kollaps zu einem Schwarzen Loch verhindert wird. Eine Möglichkeit, die Bildung von molekularem Wasserstoff zu verhindern, besteht darin, ihn mit hochenergetischer ultravioletter (UV) Strahlung zu bestrahlen, die im frühen Universum Mangelware war, weil sich noch keine Sterne gebildet hatten.
In einer neuen Arbeit, die im März in die Preprint-Datenbank arXiv hochgeladen wurde, schlagen Hao Jiao von der McGill University in Quebec und Kollegen eine unorthodoxe Lösung vor: dunkle Materie.
Einige Modelle der dunklen Materie sagen voraus, dass sie extrem leicht ist, sogar milliardenfach leichter als das Neutrino, das leichteste bekannte Teilchen. Wenn die dunkle Materie superleicht ist, dann verhält sie sich in galaktischen Maßstäben eher wie ein Quantenozean als ein Bienenstock diskreter Teilchen.
Diese Ozeane aus dunkler Materie, in denen sich jede Galaxie befindet, können, genau wie Wasserozeane, Wellen tragen, die Regionen mit höherer Dichte der dunklen Materie entsprechen würden.
Interessanterweise könnte die ultraleichte dunkle Materie in der Lage sein, sich in Photonen (Licht) zu verwandeln – und durch diesen Prozess hofft das Forscherteam, molekularen Wasserstoff auszulöschen und Gaswolken zu riesigen schwarzen Löchern kollabieren zu lassen.
Im frühen Universum hatten sich die Galaxien, wie wir sie kennen, noch nicht gebildet. Stattdessen waren sie nur Klumpen aus Wasserstoff und Helium, eingebettet in ein Meer aus dunkler Materie. Da der Ozean aus dunkler Materie jedoch Wellen tragen konnte, konnten Taschen mit hoher Dichte entstehen. Das Team fand heraus, dass es einen Rückkopplungsmechanismus zwischen den Wellen der dunklen Materie und den Gaswolken gab, der zu einem Phänomen führte, das als Resonanz bekannt ist – die Wellen verstärkten sich einfach immer weiter zu immer höheren Energien.
Sobald die Resonanz ansteigt, würden sich die Regionen mit hoher Dichte an dunkler Materie in Photonen umwandeln und eine Lichtbahn im Universum schaffen, bevor die ersten Sterne auftauchen.
Aber es gibt ein Problem: Diese Photonen waren viel zu energiearm, um molekularen Wasserstoff aufzuspalten.
Den Forschern wurde also klar, dass es einen weiteren Schritt geben musste, um die Energie der Photonen zu verstärken, damit dieser Prozess funktioniert. Eine Möglichkeit ist die so genannte Thermalisierung. Bei diesem Prozess heizen die niederenergetischen Photonen das umgebende Gas auf. Bei höheren Temperaturen gibt das Gas selbst Strahlung aller möglichen Energien ab, einschließlich der UV-Energien, die zum Aufbrechen von molekularem Wasserstoff benötigt werden.
Eine andere Möglichkeit ist, dass Turbulenzen in den Gaswolken eine Rolle gespielt haben. Turbulenzen können kleinräumige Störungen zu großräumigen Störungen verstärken, und sie ermöglichen auch einen Weg für niederenergetische Strahlung, um zu hochenergetischer Strahlung anzusteigen.
Astronomen und Physiker suchen seit langem nach ultraleichter dunkler Materie, haben aber noch keinen direkten Beweis dafür gefunden. Dies stellt strenge Anforderungen an die Masse dieser Teilchen und an die Effizienz der Umwandlung dunkler Materie in Photonen.
Erstaunlicherweise gelang es dem Team, obwohl sich die Arbeit erst im Anfangsstadium befindet, alles in ihren Modellen zum Laufen zu bringen. Wenn sie das frühe Universum mit ultraleichter dunkler Materie füllten und dabei die Grenzwerte für Masse und Effizienz einhielten, konnten sie genügend UV-Strahlung erzeugen, um die Gaswolken warm zu halten und zu verhindern, dass sie zerbrechen. Dadurch konnten die Wolken direkt in die Keime der größten Schwarzen Löcher kollabieren.
Die Arbeit ist noch vorläufig und wurde noch nicht von Fachkollegen geprüft. Ein wichtiger nächster Schritt wird sein, zu sehen, wie gut sich die Idee in realistischeren Simulationen des frühen Universums bewährt. Übrigens haben auch andere Forscher vorgeschlagen, dass die dunkle Materie Teil des Wachstums schwarzer Löcher im jungen Kosmos sein könnte, so dass wir vielleicht bald weitere Gespräche zu diesem Thema erleben werden.
Wer hätte gedacht, dass dunkle Materie so nützlich sein kann?
