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Eine Illustration zeigt ein primordiales Schwarzes Loch, das sich in einem dichten Meer von Quarks und Gluonen einen Sekundenbruchteil nach dem Urknall bildet.(Bildnachweis: Kaća Bradonjić)

Winzige primordiale Schwarze Löcher, die in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall entstanden sind, könnten Gesellschaft gehabt haben, und zwar in Form von noch kleineren „supergeladenen“ Schwarzen Löchern mit der Masse eines Nashorns, die schnell verdampft sind.

Ein Forscherteam hat die Theorie aufgestellt, dass diese winzigen „Nashorn“-Schwarzen Löcher, die einen völlig neuen Zustand der Materie darstellen würden, bis zum Rand mit „Farbladung“ gefüllt gewesen wären. Dabei handelt es sich um eine Eigenschaft fundamentaler Teilchen, die Quarks und Gluonen genannt werden und die mit den Wechselwirkungen der starken Kraft zwischen ihnen zusammenhängt und nichts mit „Farbe“ im alltäglichen Sinne zu tun hat.

Diese supergeladenen schwarzen Löcher wären zusammen mit den primordialen schwarzen Löchern entstanden, als mikroskopisch kleine Regionen aus ultradichter Materie in der ersten Quintillionstel Sekunde nach dem Urknall kollabierten.

Obwohl diese neuen schwarzen Löcher nur den Bruchteil einer Sekunde nach ihrer Entstehung verdampft wären, könnten sie einen wichtigen kosmologischen Übergang beeinflusst haben: die Entstehung der ersten Atomkerne. Das bedeutet, dass sie möglicherweise eine Signatur hinterlassen haben, die heute noch nachweisbar ist.

Das Forscherteam geht davon aus, dass superfarbig geladene schwarze Löcher das Gleichgewicht der fusionierenden Kerne im jungen Universum beeinflusst haben könnten. Obwohl die exotischen Objekte in den ersten Momenten des Kosmos nicht mehr existierten, könnten künftige Astronomen diesen Einfluss möglicherweise noch nachweisen.

„Auch wenn es diese kurzlebigen, exotischen Wesen heute nicht mehr gibt, könnten sie die kosmische Geschichte in einer Weise beeinflusst haben, die sich heute in subtilen Signalen zeigen könnte“, sagte Studienmitautor David Kaiser, Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT), in einer Erklärung.

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„Im Rahmen der Vorstellung, dass die gesamte dunkle Materie durch schwarze Löcher erklärt werden könnte, gibt uns das neue Dinge, nach denen wir suchen können“, fügte er hinzu und bezog sich dabei auf die mysteriöse Substanz, die etwa 85 % des materiellen Universums ausmacht.

Nicht alle schwarzen Löcher sind gleich

Wenn man sich ein schwarzes Loch vorstellt, denkt man sofort an kosmische Titanen wie supermassive schwarze Löcher mit einer Masse, die Millionen oder sogar Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne. Diese schwarzen Löcher befinden sich im Herzen von Galaxien und dominieren ihre Umgebung. Sie entstehen durch eine Kette von Verschmelzungen immer größerer Paare schwarzer Löcher.

Häufiger im Universum sind stellarmasse Schwarze Löcher mit der zehn- oder hundertfachen Masse der Sonne, die entstehen, wenn massereichen Sternen der Brennstoff für die Kernfusion ausgeht und sie kollabieren.

Diese beiden Arten von Schwarzen Löchern sowie die schwer fassbaren Schwarzen Löcher, die zwischen diesen beiden Massenbereichen liegen, werden als „astrophysikalische Schwarze Löcher“ bezeichnet. Wissenschaftler stellen seit langem die Hypothese auf, dass kurz nach dem Urknall nicht-astrophysikalische Schwarze Löcher entstanden sein könnten, deren Massen zwischen denen der Erde und denen eines großen Asteroiden liegen.

Anstatt aus dem Kollaps eines Sterns zu entstehen, könnten sich diese primordialen Schwarzen Löcher aus viel kleineren Flecken kollabierender Materie gebildet haben, bevor die ersten Sterne oder sogar die einfachsten Atome überhaupt entstanden sind.

Je massereicher ein Schwarzes Loch ist, desto breiter ist seine äußere Begrenzung oder sein „Ereignishorizont“. Hätte ein ursprüngliches Schwarzes Loch eine Masse in der Größenordnung der Erde gehabt, wäre es nicht breiter als ein Zehncentstück gewesen. Hätte es die Masse eines großen Asteroiden gehabt, wäre es kleiner als ein Atom gewesen.

Ein Diagramm, das den enormen Größenunterschied zwischen supermassiven schwarzen Löchern und hypothetischen primordialen schwarzen Löchern zeigt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Der Grund, warum wir bei der Beschreibung dieser schwarzen Löcher die Vergangenheitsform verwenden, ist, dass diese ursprünglichen schwarzen Löcher nach aktuellen Theorien so klein gewesen wären, dass sie durch das „Austreten“ einer Art von Wärmestrahlung, der so genannten Hawking-Strahlung, schnell an Masse verloren hätten. Dies hätte zu ihrer Verdampfung geführt, so dass es sie heute im Universum nicht mehr gäbe.

Einige Wissenschaftler haben „Rettungsmechanismen“ vorgeschlagen, die es den ursprünglichen Schwarzen Löchern ermöglichen könnten, in der modernen Epoche des Kosmos zu überleben. Wenn diese Mechanismen gültig sind, dann könnten primordiale schwarze Löcher tatsächlich für die dunkle Materie verantwortlich sein.

Ein Diagramm des sich ausdehnenden Universums, das anzeigt, wann die ersten Sterne und die Erde entstanden sind. (Bildnachweis: Hubble Space Telescope Science Institute)

Die dunkle Materie ist deshalb so geheimnisvoll, weil sie, obwohl sie etwa 85 % der Materie im Universum ausmacht, nicht mit dem Licht wechselwirkt und daher nicht dasselbe sein kann wie die anderen 15 % des „Zeugs“ im Kosmos, zu denen Sterne, Planeten, Monde, unsere Körper und die Katze von nebenan gehören.

Primordiale Schwarze Löcher könnten gut zu dunkler Materie passen, da sie wie alle Schwarzen Löcher durch Ereignishorizonte begrenzt sind. Dabei handelt es sich um lichtabschirmende Flächen, die auch bedeuten, dass Schwarze Löcher, wie die Dunkle Materie, kein Licht aussenden oder reflektieren.

Um die Verbindung zwischen dunkler Materie und primordialen schwarzen Löchern besser zu erforschen, machten sich Kaiser und die MIT-Absolventin Elba Alonso-Monsalve daran, herauszufinden, woraus diese winzigen und frühen schwarzen Löcher bestehen (oder bestanden).

„Man hat untersucht, wie die Verteilung der Massen schwarzer Löcher während der Entstehung des frühen Universums aussehen würde, aber man hat dies nie mit der Art der Materie in Verbindung gebracht, die in diese schwarzen Löcher gefallen ist, als sie sich bildeten“, erklärt Kaiser.

Primordiale Schwarze-Loch-Begleiter waren supergeladene Nashörner

Der erste Schritt für die beiden Forscher bestand darin, die bereits existierenden Theorien über primordiale Schwarze Löcher zu untersuchen und herauszufinden, wie sich ihre Masse während der Entstehung des Universums verteilt haben könnte.

„Unsere Erkenntnis war, dass es eine direkte Korrelation zwischen dem Zeitpunkt der Entstehung eines primordialen Schwarzen Lochs und der Masse gibt, mit der es entsteht“, erklärte Alonso-Monsalve. „Und dieses Zeitfenster ist absurd früh.“

In diesem Fall bedeutet „absurd früh“ innerhalb einer Quintillionstel Sekunde nach dem Urknall. In dieser kurzen Zeitspanne wären „normale“ primordiale Schwarze Löcher entstanden, die etwa die Masse eines großen Asteroiden und eine Breite kleiner als ein Atom hatten.

Allerdings sagen Alonso-Monsalve und Kaiser voraus, dass in dieser kurzen Zeitspanne auch ein kleiner Teil exponentiell kleinerer Schwarzer Löcher entstanden wäre, mit einer Masse in der Größenordnung eines Nashorns und viel kleiner als ein einzelnes Proton, die Teilchen, aus denen (zusammen mit Neutronen) die Kerne im Herzen der Atome bestehen.

Beide Größen von Schwarzen Löchern im frühen Universum wären von einem dichten Meer von Quarks und Gluonen umgeben gewesen. Diese Elementarteilchen sind in der heutigen Zeit nicht frei im Universum zu finden, sondern in Teilchen wie Protonen und Neutronen gebunden. Im dichten frühen Universum gab es jedoch eine „heiße Suppe“ oder ein Plasma aus freien Quarks und Gluonen, die sich erst noch zusammenfinden mussten.

Schwarze Löcher, die sich im frühen Universum bilden, würden sich nicht nur von dieser Plasmasuppe ernähren, sondern auch eine Eigenschaft der freien, ungebundenen Quarks und Gluonen absorbieren, die Farbladung genannt wird.

„Nachdem wir herausgefunden hatten, dass sich diese schwarzen Löcher in einem Quark-Gluon-Plasma bilden, war das Wichtigste, was wir herausfinden mussten, wie viel Farbladung in dem Materieklumpen enthalten ist, der in einem primordialen schwarzen Loch endet.“ sagte Alonso-Monsalve.

Ein gewöhnliches Proton oder Neutron (im Vordergrund) besteht aus drei Quarks, die durch Gluonen, Träger der Farbkraft, miteinander verbunden sind. (Bildnachweis: Lawrence Berkeley National Laboratory)Mit Hilfe der „Quantenchromodynamik“, die die Wirkung der starken Kraft zwischen Quarks und Gluonen beschreibt, berechnete das Duo die Verteilung der Farbladung, die im heißen, dichten Plasma des frühen Universums vorhanden gewesen sein müsste. Anschließend verglichen sie diese Verteilung mit der Größe einer Region, die in der Lage wäre, zu kollabieren und ein Schwarzes Loch in nur der ersten Quintillionstel Sekunde des Kosmos zu erzeugen.

Daraus ergab sich, dass das „typische“ Schwarze Loch der Urzeit nicht viel Farbladung aufgenommen hat. Das liegt daran, dass der größere Bereich des Quark-Gluon-Plasmas, den sie verzehrt haben, eine Mischung aus Farbladungen enthalten hätte, die sich zu einer neutralen Ladung addiert hätten.

Schwarze Löcher mit

Rhino-Masse, die sich aus einem kleineren Bereich des Quark-Gluon-Plasmas bilden, wären dagegen voll mit Farbladung, fand das Duo heraus. Tatsächlich hätten sie die maximale Menge jeder Art von Ladung enthalten, die nach den fundamentalen Gesetzen der Physik für ein schwarzes Loch zulässig ist.

Es ist nicht das erste Mal, dass solche „extremen“ Schwarzen Löcher als Hypothese aufgestellt wurden, aber Alonso-Monsalve und Kaiser sind die ersten Wissenschaftler, die einen realistischen Prozess darlegen, durch den sich solche kosmischen Merkwürdigkeiten in unserem Universum tatsächlich gebildet haben könnten.

Die rhino-supercharged schwarzen Löcher hätten sich zwar schnell verflüchtigt, könnten aber noch etwa eine Sekunde nach dem Urknall vorhanden gewesen sein, als sich die ersten Atomkerne zu bilden begannen. Das bedeutet, dass die Nashorn-Schwarzen Löcher genügend Zeit gehabt hätten, um die Bedingungen im Kosmos aus dem Gleichgewicht zu bringen. Diese Störungen könnten sich auf die Materie in einer Weise ausgewirkt haben, die noch heute zu beobachten ist.

„Diese Objekte könnten einige aufregende Beobachtungsspuren hinterlassen haben“, schloss Alonso-Monsalve. „Sie könnten das Gleichgewicht zwischen dem einen und dem anderen verändert haben, und das ist die Art von Dingen, über die man sich Gedanken machen kann“, so Alonso-Monsalve.