Wissenschaftler haben die mögliche Verbindung zwischen dunkler Energie und schwarzen Löchern verstärkt. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass mit der Entstehung weiterer schwarzer Löcher in „kleinen Urknall-Wiederholungen“ im 14,6 Milliarden Jahre alten Kosmos die Stärke der dunklen Energie zu einer dominierenden Kraft wurde und sich bis heute verändert.
Dunkle Energie ist der Platzhalter für die mysteriöse Kraft, die die Beschleunigung der Expansion des Universums in seiner gegenwärtigen Epoche antreibt. Sie ist besorgniserregend, weil die Wissenschaftler keine Ahnung haben, was die dunkle Energie ist, aber sie dominiert unser Universum und macht etwa 70 % des kosmischen Materie-/Energiehaushalts aus. Dies war jedoch nicht immer der Fall. Vor der von dunkler Energie dominierten Epoche beherrschten Materie und Schwerkraft das Universum und hatten es geschafft, die durch den Urknall ausgelöste Expansion fast zum Stillstand zu bringen. Die dunkle Energie hat dann vor etwa 5 Milliarden Jahren ihren kosmischen Coup inszeniert und die Expansion des Universums wieder „angekurbelt“. Das Problem ist, dass niemand weiß, woher sie kam oder wie der Wechsel von der Materie zur dunklen Energie vonstatten ging.
Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, hat sich ein Team von Wissenschaftlern die Frage gestellt, wo im heutigen Universum die Schwerkraft so stark ist wie zu Beginn des Universums? Die Antwort liegt nur im Herzen der schwarzen Löcher. So stellte das Team fest, dass schwarze Löcher mit der dunklen Energie „kosmisch gekoppelt“ sein könnten.
Ein Bild des Protohaufens PHz G191.24+62.04, wie er vor 11 Milliarden Jahren aussah, aufgenommen vom JWST. In der Region entstehen auch schnell schwarze Löcher (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (Paris), Brenda Frye (UofA), Jordan C. J. D’Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU))
„Nach der kosmologischen Kopplungshypothese sind Schwarze Löcher an das sich ausdehnende Universum gekoppelt und mit dunkler Energie gefüllt, die mit der Ausdehnung des Universums wächst“, sagt Gregory Tarlé, Physikprofessor an der University of Michigan, gegenüber kosmischeweiten.de. „Diese neue Entwicklung bestätigt, dass kosmologisch gekoppelte Schwarze Löcher sehr wohl die dunkle Energie des Universums sein können.“
Tarlé sagt, dass dies daran liegen könnte, dass die Entstehung eines Schwarzen Lochs durch den Tod und den Gravitationskollaps eines anderen Schwarzen Lochs dem Urknall in umgekehrter Reihenfolge gleicht. Bei diesem Prozess würde die Materie des massereichen Sterns, aus dem ein schwarzes Loch entsteht, während seines vollständigen Gravitationskollapses zu dunkler Energie.
Wenn Schwarze Löcher dunkle Energie enthalten, können sie sich nach der Theorie des Teams mit der Struktur des Universums verbinden und dessen beschleunigte Expansion vorantreiben. Sie wissen noch nicht genau, wie dies geschieht, aber sie haben Beweise dafür, dass es tatsächlich geschieht.
„Diese neue Entwicklung bestätigt, dass kosmologisch gekoppelte Schwarze Löcher sehr wohl die dunkle Energie des Universums sein können“, so Tarlé. „Dies wird uns sehr wahrscheinlich der Entdeckung der wahren Natur der dunklen Energie näher bringen. Vielleicht bringt es uns auch dem Verständnis der wahren Natur der Schwarzen Löcher näher.“
Das Herz des Geheimnisses liegt im Herzen der schwarzen Löcher
Es ist das zweite Mal, dass das Team Forschungen veröffentlicht, die sich auf die kosmologische Kopplung zwischen schwarzen Löchern und dunkler Energie konzentrieren.
„Die erste Studie, die wir im Februar 2024 veröffentlicht haben, zeigte den Einfluss des expandierenden Universums auf das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher in sich passiv entwickelnden elliptischen Galaxien“, so Tarlé. „Wenn alle schwarzen Löcher auf diese Weise wachsen würden, könnten sie gemeinsam die Dichte der dunklen Energie im heutigen Universum erklären.“
Für diese neue Untersuchung wurden die Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) verwendet. Es besteht aus 5.000 Roboteraugen, die am Mayall-Teleskop des Kitt Peak National Observatory montiert sind. DESI untersucht mehrere Millionen Galaxien und Quasare, um eine 3D-Karte zu erstellen, die das Universum in einer Entfernung von 11 Milliarden Lichtjahren abdeckt.
DESI hat mit den Daten des ersten Jahres seines Fünfjahresprogramms für Aufsehen gesorgt, da sie darauf hindeuten, dass sich die Dichte der dunklen Energie im Universum verändert.
„Es wird allgemein angenommen, dass die dunkle Energie eine Eigenschaft des Raums ist und dass sie daher eine gleichmäßige und konstante Dichte hat. DESI hat gerade einen verlockenden Beweis dafür geliefert, dass die Dichte der dunklen Energie nicht konstant ist, sondern sich mit der Zeit verändert“, so Tarlé. „Diese Kopplungstheorie liefert einen möglichen physikalischen Mechanismus für diese Veränderung.“
Das Team verglich die DESI-Daten zur Veränderung der dunklen Energie mit der Anzahl der schwarzen Löcher, die im Laufe der kosmischen Geschichte beim Tod massereicher Sterne entstanden. Dabei zeigte sich, dass der Gehalt an dunkler Energie im Universum im Gleichschritt mit der Entstehung von mehr schwarzen Löchern zunahm. Dies deutet darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen dunkler Energie und schwarzen Löchern zumindest plausibel ist.
Ein Diagramm der Entwicklung des Universums von seinem Beginn im Urknall bis zum heutigen Zeitalter. (Bildnachweis: NASA/WMAP Science Team)
Durch die Darstellung der Veränderung der Dichte der dunklen Energie, die aus den Daten des ersten DESI-Jahres hervorgeht und die durch schwarze Löcher erklärt werden kann, die von schweren Sternen um den Höhepunkt der Sternentstehung herum erzeugt werden, hat das Team eine gewisse experimentelle Bestätigung seiner Theorie.
„Zu zeigen, wie die Zunahme der Dichte der dunklen Energie die Produktion und das Wachstum von schwarzen Löchern im expandierenden Universum verfolgt, ist eine unabhängige Beobachtung, die die Beobachtung des Wachstums von schwarzen Löchern mit der Expansion des Universums ergänzt“, so Tarlé weiter.
Die Kopplung von dunkler Energie und schwarzen Löchern könnte erklären, was im Herzen von schwarzen Löchern wie diesem liegt, das vom Event Horizon Telescope im Herzen der fernen Galaxie M87 abgebildet wurde. (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Während der Forscher der Universität Michigan und seine Kollegen noch nicht in der Lage sind zu erklären, wie dunkle Energie und dunkle Materie zusammenhängen, ist Tarlè bereit, für kosmischeweiten.de zu spekulieren.
„In der Frühzeit des Universums, als die Schwerkraft noch sehr stark war, führte eine Form von dunkler Energie dazu, dass sich das Universum exponentiell aufblähte. Durch einen unbekannten Prozess wurde diese Energie in die Materie des heutigen Universums umgewandelt“, erklärt Tarlè. „Es ist denkbar, dass im Zentrum von Schwarzen Löchern, dem einzigen Ort im heutigen Universum, an dem die Schwerkraft so stark ist wie während der Inflation, Materie durch den umgekehrten Prozess in dunkle Energie umgewandelt wird.“
Das Schöne an dieser Theorie ist, so Tarlè, dass sie nicht nur dazu beiträgt, die dunkle Energie und ihre Entstehung zu erklären, sondern auch ein langwieriges Problem in der Wissenschaft der schwarzen Löcher zu lösen.
Im Herzen von Schwarzen Löchern gibt es, zumindest theoretisch, eine Singularität, einen Punkt, an dem die Gleichungen der Einsteinschen Gravitationstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie ins Unendliche gehen und somit die gesamte Physik zusammenbricht. Die kosmologische Kopplung von dunkler Energie und schwarzen Löchern hebt diese Singularität auf.
„Unsere Theorie hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie einen Mechanismus bietet, mit dem eine zentrale Singularität vermieden werden kann“, so Tarlè weiter. „Einstein hat nie an die Singularität im Zentrum von Schwarzen Löchern geglaubt und war der Meinung, dass dies ein Versagen seiner Theorie darstellt.“
Tarlé erklärte, dass diese Arbeit eine Reihe von möglichen Wegen einschlagen könnte. Er fügte hinzu, dass es viele „nächste Schritte“ gibt, die das Team unternehmen könnte. Einer davon ist, zu sehen, ob ihre Ergebnisse Bestand haben, wenn DESI seine nächsten 3-Jahres-Daten veröffentlicht, die in einigen Monaten erwartet werden.
Die Forscher werden auch versuchen, die Verteilung von kosmologisch gekoppelten Schwarzen Löchern im Universum zu verstehen und an einer „inneren Lösung“ für kosmologisch gekoppelte Schwarze Löcher arbeiten.
„Grundsätzlich ist die Frage, ob Schwarze Löcher dunkle Energie sind, die an das Universum, in dem sie leben, gekoppelt ist, nicht mehr nur eine theoretische Frage“, schloss Tarlé. „Dies ist jetzt eine experimentelle Frage.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (28. Oktober) im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.
