Eine Illustration eines schwarzen Lochs, das in unserem Sonnensystem sichtbar ist (Bildnachweis: buradaki/Getty Images)
Wenn es mikroskopisch kleine schwarze Löcher gibt, die einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall entstanden sind, wie einige Forscher vermuten, dann könnte mindestens eines pro Jahrzehnt durch unser Sonnensystem fliegen und winzige Gravitationsverzerrungen erzeugen, die Wissenschaftler nachweisen können, wie eine neue Studie zeigt.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Astronomen, wenn sie die Existenz solcher Gravitationsstörungen entdecken und bestätigen können, in der Lage sein könnten, das Geheimnis der dunklen Materie zu lüften, des unsichtbaren Materials, von dem viele Forscher annehmen, dass es etwa fünf Sechstel der gesamten Materie im Kosmos ausmacht.
Viele Forscher vermuten, dass die dunkle Materie aus unbekannten Teilchen besteht, aber bisher hat noch kein Experiment neue Teilchen entdeckt, die dunkle Materie sein könnten. Eine Alternative, die Wissenschaftler zur Erklärung der dunklen Materie erforschen, sind sogenannte primordiale schwarze Löcher, die seit Anbeginn der Zeit existieren.
Frühere Forschungen legen nahe, dass etwa 86 % der Materie im Universum aus einer im Wesentlichen unsichtbaren Substanz, der so genannten dunklen Materie, besteht. Wissenschaftler schließen auf die Existenz der dunklen Materie aufgrund ihrer Gravitationswirkung auf die alltägliche Materie und das Licht, aber es bleibt derzeit ungewiss, woraus sie bestehen könnte.
Schwarze Löcher verdanken ihren Namen ihrer immensen Gravitationskraft, die so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Wenn ein Schwarzes Loch seine Existenz nicht verrät – zum Beispiel, indem es einen Stern zerreißt -, kann es in der Schwärze des Weltraums unentdeckt bleiben.
Im Laufe der Jahrzehnte haben Astronomen viele Schwarze Löcher entdeckt, von stellaren Schwarzen Löchern, die typischerweise das Fünf- bis Zehnfache der Sonnenmasse haben, bis hin zu supermassiven Schwarzen Löchern, die Millionen bis Milliarden Sonnenmassen groß sind. Im Gegensatz dazu wurden in der neuen Studie primordiale Schwarze Löcher untersucht, die nach bisherigen Erkenntnissen nur etwa die Masse eines typischen Asteroiden haben, d. h. etwa 110 Milliarden bis 110 Millionen Milliarden Tonnen (100 Milliarden bis 100 Millionen Milliarden metrische Tonnen).
„Die schwarzen Löcher, die wir in unserer Arbeit betrachten, sind mindestens 10 Milliarden Mal leichter als die Sonne und kaum größer als ein Wasserstoffatom“, sagte Studienmitautorin Sarah Geller, theoretische Physikerin an der University of California in Santa Cruz, gegenüber kosmischeweiten.de.
Künstlerische Darstellung des supermassiven schwarzen Lochs in der Galaxie M87. (Bildnachweis: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))
Schwarze Löcher entstehen, wenn ein Objekt so dicht ist, dass es unter der Kraft seiner eigenen Schwerkraft kollabiert. Frühere Arbeiten deuten darauf hin, dass kurz nach dem Urknall, bevor sich das Universum stark ausdehnte, zufällige Fluktuationen in der Dichte der Materie im neugeborenen Kosmos dazu führten, dass einige Klumpen dicht genug wurden, um Schwarze Löcher zu bilden.
Vorangegangene Forschungen legten nahe, dass primordiale schwarze Löcher, die bis heute überlebt haben, den größten Teil oder die gesamte dunkle Materie ausmachen könnten. Auf der Grundlage dieser Arbeit wurde in der neuen Studie untersucht, wie oft primordiale schwarze Löcher durch das Sonnensystem fliegen könnten und ob sie Auswirkungen haben könnten, die Wissenschaftler an sichtbaren Objekten feststellen könnten.
„Wenn es da draußen viele schwarze Löcher gibt, müssen einige von ihnen sicherlich hin und wieder durch unseren Hinterhof fliegen“, sagte Geller.
Ursprünglich haben die Forscher „darüber nachgedacht, was passieren könnte, wenn ein schwarzes Loch die Erdkruste durchstößt, unsere Atmosphäre durchquert oder einen Krater auf dem Mond hinterlässt“, so Geller. „Wir haben uns sogar gefragt, was passieren würde, wenn eines dieser winzigen schwarzen Löcher einen Menschen treffen würde.“
Doch „jede dieser Ideen stieß auf das gleiche Problem“, erklärte Geller. „Ein Mensch, der Mond oder sogar die Erde sind in den Weiten des Weltraums ein sehr kleines Ziel, und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schwarzes Loch sie jemals direkt trifft, ist winzig“.
Stattdessen „brauchten wir ein System, das groß genug ist, damit Schwarze Löcher regelmäßig vorbeiziehen können, aber genau genug gemessen wird, damit wir einen Effekt sehen können“, so Geller. „Das war der Zeitpunkt, an dem wir anfingen, über die sehr genau gemessenen Bahnen von Objekten im Sonnensystem nachzudenken.“ Im Prinzip könnte die Anziehungskraft eines urzeitlichen Schwarzen Lochs „Wobbeln in den Bahnen von Objekten im Sonnensystem erzeugen, die groß genug sind, dass wir sie messen können.“
Die Wissenschaftler konzentrierten sich schließlich auf primordiale schwarze Löcher, die in der Nähe der inneren Planeten des Sonnensystems – Merkur, Venus, Erde und Mars – fliegen. Sie kamen zu dem Schluss, dass es, falls urzeitliche Schwarze Löcher existieren, so viele davon geben könnte, dass mindestens eines pro Jahrzehnt an den inneren Welten vorbeifliegt. Sie fügten hinzu, dass mehrere Vorbeiflüge bereits stattgefunden haben könnten, seit Technologien zur Erkennung solcher Störungen zur Verfügung stehen.
Geller warnte, dass „wir keine der folgenden Behauptungen aufstellen – dass primordiale schwarze Löcher definitiv existieren, dass sie den größten Teil oder die gesamte dunkle Materie ausmachen oder dass sie definitiv in unserem Sonnensystem vorhanden sind.“ Stattdessen sagen sie, dass, wenn primordiale schwarze Löcher existieren und den größten Teil der dunklen Materie ausmachen, „dann muss man alle ein bis zehn Jahre durch das innere Sonnensystem reisen.“
Die Wissenschaftler wiesen auch darauf hin, dass ihre Ergebnisse auf relativ einfachen Computersimulationen beruhen, die nicht die Präzision aufweisen, die für die Analyse realer Daten über die Bahnen des inneren Sonnensystems erforderlich ist.
„Um endgültige Aussagen machen zu können, müssen wir mit Kollegen zusammenarbeiten, die sich auf die Modellierung des Sonnensystems mit viel ausgefeilteren Berechnungsmethoden spezialisiert haben“, sagte Studienmitautor Benjamin Lehmann, ein theoretischer Physiker am MIT, gegenüber kosmischeweiten.de. Er fügte hinzu, dass sie auch herausfinden müssen, wie man herausfindet, was ein echtes Signal eines ursprünglichen Schwarzen Lochs sein könnte und was einfach in den Fehlerbereich fällt, der bei jeder Messung zu erwarten ist.
Die Wissenschaftler erörtern nun die Möglichkeit einer Zusammenarbeit mit der Gruppe für Sonnensystem-Simulation am Pariser Observatorium, um die vorhandenen Bahndaten zu analysieren. „Sie gehören zu den führenden Experten für die ausgefeilten Simulationsmethoden, die erforderlich sind, um diese Analyse zu verwirklichen“, sagte Lehmann. „Sobald wir ein vollständiges Modell entwickelt haben, mit dem wir reale Daten durchsuchen können, müssen wir untersuchen, welche Folgebeobachtungen für jedes Signal, das wir möglicherweise registrieren, am besten geeignet sind.“
Dieser Ansatz, nach primordialen Schwarzen Löchern über ihre Gravitationswirkung zu suchen, ist „nicht völlig ausreichend, um zwischen einem primordialen Schwarzen Loch und einem anderen ungewöhnlichen Objekt mit ähnlicher Masse zu unterscheiden“, warnte Geller. Sie merkte an, dass, wenn diese Strategie ein potenzielles primordiales Schwarzes Loch entdeckt, „wir Folgebeobachtungen auslösen können, um andere Möglichkeiten auszuschließen. Astronomen sind in der Tat erstaunlich gut darin, auch viel leichtere Objekte in unserem Sonnensystem zu finden, wie z. B. kleine Asteroiden, während die direkte Beobachtung eines kleinen Schwarzen Lochs mit einem Teleskop höchstwahrscheinlich überhaupt nichts zeigen würde.“
Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse am 17. September in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.
