Ein supermassives schwarzes Loch vor einem Netz aus dunkler Materie (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass der Zerfall dunkler Materie dazu beigetragen haben könnte, dass Schwarze Löcher relativ früh im jungen Universum zu monströsen supermassiven Größen heranwuchsen. Wenn dies zutrifft, könnte dies dazu beitragen, einige der verblüffendsten Beobachtungen des Kosmos zu erklären, die mit dem James Webb Weltraumteleskop gemacht wurden.
Seitdem das James Webb Space Telescope (JWST) im Sommer 2022 damit begonnen hat, Daten zur Erde zu senden, hat die Entdeckung supermassereicher schwarzer Löcher mit einer millionen- oder sogar milliardenfachen Sonnenmasse bereits 500 Millionen Jahre nach der Entstehung des 13,8 Milliarden Jahre alten Kosmos die Wissenschaftler verblüfft. Das liegt daran, dass es mindestens 1 Milliarde Jahre dauern sollte, bis Schwarze Löcher den „supermassiven Status“ erreichen.
Eine Hypothese, die erklären soll, wie frühe Schwarze Löcher einen Wachstumsvorsprung erhalten, besagt, dass sie direkt aus massiven Gas- und Staubwolken entstehen. Diese neue Forschungsarbeit geht jedoch davon aus, dass die dunkle Materie, die geheimnisvollste Substanz des Universums, ein Katalysator für diesen Prozess war.
„Die Entstehung von supermassiven Schwarzen Löchern ist ein Rätsel. Die Entdeckung supermassiver Schwarzer Löcher zu einem Zeitpunkt, als das Universum weniger als 1 Milliarde Jahre alt war, ist so, als würde man in einem jurassischen Sedimentgestein zwischen den Dinosaurierknochen einige Säugetierknochen finden“, sagt Alexander Kusenko, Astrophysiker an der University of California, Los Angeles (UCLA), gegenüber kosmischeweiten.de. „Diese Beobachtungen verlangen nach einer ganz anderen Erklärung für die Entstehung von supermassiven Schwarzen Löchern.
„Wir haben herausgefunden, dass die Strahlung aus dem Zerfall dunkler Materie einige große Gaswolken dazu bringen könnte, zu supermassiven Schwarzen Löchern zu kollabieren, was das Rätsel ihres Ursprungs lösen würde.“
Ein Rätsel mit einem anderen Rätsel lösen
Die dunkle Materie gilt derzeit als eines der größten noch offenen Rätsel der Physik, denn obwohl sie etwa 85 % der Materie im Universum ausmacht, wissen die Wissenschaftler nicht, woraus sie besteht.
Forscher wissen, dass dunkle Materie nicht aus demselben „Stoff“ bestehen kann wie die Atome, aus denen die gewöhnliche Materie in Sternen, Planeten, Monden, Asteroiden und unserem Körper besteht. Das liegt daran, dass die dunkle Materie nicht mit elektromagnetischer Strahlung (Licht) zu interagieren scheint, während Elektronen, Protonen und Neutronen dies sehr wohl tun. Diese fehlende Interaktion mit Licht macht die dunkle Materie für uns auch frustrierend unsichtbar, da die Wissenschaftler nur über ihre Interaktion mit der Schwerkraft und die Auswirkungen dieser Interaktion auf die gewöhnliche Materie und das Licht auf ihre Präsenz schließen können.
Ein Diagramm, das zeigt, wie viel Masse im Universum auf die dunkle Materie entfällt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Dunkle Materie interagiert vielleicht nicht mit Licht, aber eine der in einigen Modellen vorgeschlagenen Eigenschaften dieser Substanz hat mit dem Zerfall ihrer instabileren Teilchen zu tun – die Photonen, die Grundteilchen des Lichts, freisetzen. Das Team ist der Meinung, dass diese Strahlung das fehlende Teil des Puzzles für das Wachstum eines supermassiven schwarzen Lochs sein könnte.
„Die Schwerkraft kann eine Gaswolke zusammendrücken und zum Kollaps zwingen, so dass es möglich erscheint, dass eine Wolke mit einer Million Sonnenmassen zur Bildung eines Schwarzen Lochs mit einer Million Sonnenmassen führen könnte“, erklärte Kusenko. „In Wirklichkeit passiert das nicht, denn die Schwerkraft wirkt auf allen Entfernungsskalen und bewirkt, dass kleine Teile einer großen Wolke zuerst kollabieren, bevor die gesamte Wolke eine Chance hat, zu kollabieren. Anstelle eines riesigen schwarzen Lochs haben wir also einen Haufen kleinerer Gaswolken.“
Er fügte hinzu, dass, wenn es etwas gäbe, das der Wirkung der Schwerkraft auf kurze Entfernungen entgegenwirkt, ohne den Kollaps auf große Entfernungen zu beeinflussen, dies einen „direkten Kollaps“ einer riesigen Gasmenge zu einem supermassiven schwarzen Loch auslösen könnte. Und eine Sache, die der Schwerkraft entgegenwirken könnte, ist Druck.
„Wenn die Gaswolke lange Zeit heiß bleibt, kann sie nicht in kleinere Halos zerfallen, weil heißes Gas einen höheren Druck hat, der stark genug ist, um der Schwerkraft entgegenzuwirken“, so Kusenko weiter. „Das gilt so lange, wie die Temperatur hoch genug ist. Kühlt das Gas jedoch ab, sinkt der Druck, und die Schwerkraft kann sich in vielen kleinen Regionen durchsetzen, die zu dichten Objekten kollabieren, bevor die Schwerkraft die Chance hat, die gesamte Wolke in ein einziges Schwarzes Loch zu ziehen.“
Diese Abkühlung kommt zustande, weil der größte Teil des Gases im frühen Universum aus Wasserstoffatomen bestand; die Sterne hatten noch keine Gelegenheit, schwerere Elemente zu schmieden und sie mit Supernova-Explosionen zu zerstreuen. Die meisten dieser Wasserstoffatome würden wie Billardkugeln endlos aneinander abprallen, es sei denn, sie wären zu einem Molekül mit Rotationsenergieniveaus verbunden, die durch atomare Kollisionen angeregt werden können.
„Das angeregte Molekül kann dann die Energie abstrahlen und in seinen Ausgangszustand zurückkehren, bereit für eine weitere Wechselwirkung mit einem Wasserstoffatom. Die Wasserstoffmoleküle werden zu Kühlmitteln, da sie Wärmeenergie absorbieren und abstrahlen. Je mehr Wasserstoffmoleküle also vorhanden sind, desto schneller ist die Abkühlung“, so Kusenko weiter. „Dunkle Materieteilchen können zerfallen und dabei Strahlung erzeugen, die die Wasserstoffmoleküle dissoziieren [oder aufspalten] kann.“
Die Strahlung der zerfallenden dunklen Materie könnte also massiven Gaswolken im frühen Universum die Zeit geben, zu kollabieren und die ersten supermassiven schwarzen Löcher zu gebären.
„Wenn das passiert, wird ein direkter Kollaps von heißem Gas zu supermassiven schwarzen Löchern möglich“, fügte Kusenko hinzu.
Wenn dies der Fall sein sollte, was, wenn überhaupt, sagt uns das über die dunkle Materie selbst?
„Es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder können Teilchen der dunklen Materie sehr langsam zerfallen, oder die dunkle Materie enthält eine winzige Komponente, die schnell zerfällt, während der Rest der dunklen Materie stabil ist“, sagte Kusenko. „In beiden Fällen geben die Eigenschaften der Strahlung, die für die Entstehung von Schwarzen Löchern benötigt wird, Aufschluss über die Masse der zerfallenden Teilchen der dunklen Materie. Dies kann helfen, dieses Szenario zu entdecken oder auszuschließen.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 27. August in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
