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Eine Illustration zeigt die fehlenden urzeitlichen schwarzen Löcher im Universum (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Die Suche nach verschwundenen, winzigen schwarzen Löchern, die vom Urknall übrig geblieben sind, könnte in Kürze an Fahrt aufnehmen.

Gerade als die Spur dieser winzigen schwarzen Löcher zu erlöschen schien, hat ein internationales Team von Wissenschaftlern Hinweise in der Quantenphysik gefunden, die den Fall neu aufrollen könnten. Ein Grund, warum die Suche nach diesen so genannten primordialen schwarzen Löchern so dringend ist, ist, dass sie als mögliche Kandidaten für dunkle Materie vorgeschlagen wurden.

Die dunkle Materie macht 85 % der Masse im Universum aus, interagiert aber nicht mit dem Licht, wie es die gewöhnliche Materie tut. Das ist die aus Atomen bestehende Materie, aus der Sterne, Planeten, Monde und unsere Körper bestehen. Dunkle Materie steht jedoch in Wechselwirkung mit der Schwerkraft, und dieser Einfluss kann sich auf die „normale Materie“ und das Licht auswirken. Perfekt für kosmische Detektivarbeit.

Wenn es tatsächlich Schwarze Löcher gibt, die durch den Urknall ausgelöst werden, wären sie absolut winzig – einige könnten sogar so klein wie ein Zehncentstück sein – und hätten daher Massen, die denen von Asteroiden oder Planeten entsprechen. Doch wie ihre größeren Gegenstücke, die stellaren Schwarzen Löcher, deren Masse das Zehn- bis Hundertfache der Sonnenmasse betragen kann, und die supermassereichen Schwarzen Löcher, deren Masse das Millionen- oder sogar Milliardenfache der Sonnenmasse betragen kann, wären auch die winzigen Schwarzen Löcher von Anbeginn der Zeit durch eine lichtabschirmende Fläche, den so genannten „Ereignishorizont“, begrenzt. Der Ereignishorizont hindert Schwarze Löcher daran, Licht auszusenden oder zu reflektieren – was winzige schwarze Löcher aus der Urzeit zu einem soliden Kandidaten für dunkle Materie macht. Sie könnten klein genug sein, um unbemerkt zu bleiben, aber stark genug, um den Weltraum zu beeinflussen.

Das Team von Wissenschaftlern des Forschungszentrums für das frühe Universum (RESCEU) und des Kavli-Instituts für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU, WPI) an der Universität Tokio wandte einen theoretischen Rahmen an, der die klassische Feldtheorie, Einsteins spezielle Relativitätstheorie und die Quantenmechanik auf das frühe Universum anwendet. Letztere erklärt das Verhalten von Teilchen wie Elektronen und Quarks und führt zu der so genannten Quantenfeldtheorie (QFT).

Die Anwendung der QFT auf den jungen Kosmos führte das Team zu der Überzeugung, dass es im Universum weitaus weniger hypothetische ursprüngliche schwarze Löcher gibt, als viele Modelle derzeit annehmen. Sollte dies der Fall sein, könnte dies den Verdacht auf Schwarze Löcher als dunkle Materie gänzlich ausschließen.

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„Wir nennen sie primordiale schwarze Löcher, und viele Forscher sind der Meinung, dass sie ein starker Kandidat für dunkle Materie sind, aber es müsste viele von ihnen geben, um diese Theorie zu erfüllen“, sagte Jason Kristiano, Doktorand an der Universität Tokio, in einer Erklärung. „Sie sind auch aus anderen Gründen interessant, denn seit der jüngsten Innovation der Gravitationswellenastronomie gibt es Entdeckungen von Verschmelzungen binärer schwarzer Löcher, die sich erklären lassen, wenn primordiale schwarze Löcher in großer Zahl existieren.

„Aber trotz dieser starken Gründe für ihre erwartete Häufigkeit, haben wir keine direkt gesehen, und jetzt haben wir ein Modell, das erklären sollte, warum dies der Fall ist.“

Zurück zum Urknall auf der Suche nach urzeitlichen schwarzen Löchern

Die am meisten favorisierten Modelle der Kosmologie gehen davon aus, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren während einer anfänglichen Periode schneller Aufblähung entstand: dem Urknall.

Nachdem während dieser anfänglichen Expansion die ersten Teilchen im Universum entstanden waren, wurde der Raum schließlich kühl genug, damit sich Elektronen und Protonen verbinden und die ersten Atome bilden konnten. Das war die Geburtsstunde des Elements Wasserstoff. Bevor diese Abkühlung stattfand, konnte sich außerdem kein Licht durch den Kosmos bewegen. Das liegt daran, dass Elektronen Photonen, also Lichtteilchen, endlos streuen. Während dieser buchstäblich dunklen Zeitalter war das Universum also im Wesentlichen undurchsichtig.

Unser derzeitiges Verständnis der Geschichte des Universums ist oben visualisiert, wobei die Zeit von links nach rechts verläuft. (Bildnachweis: Hubble Space Telescope Science Institute)

Sobald jedoch freie Elektronen in der Lage waren, sich mit Protonen zu verbinden und nicht mehr überall hinzuprallen, konnte sich das Licht endlich frei bewegen. Nach diesem Ereignis, das als „letzte Streuung“ bezeichnet wird, und während der darauffolgenden Epoche, die als „Epoche der Reionisation“ bekannt ist, wurde das Universum augenblicklich für Licht durchlässig, und das erste Licht, das zu dieser Zeit durch das Universum schien, kann noch heute als ein weitgehend einheitliches Strahlungsfeld gesehen werden, ein universelles „Fossil“, das „kosmischer Mikrowellenhintergrund“ oder „CMB“ genannt wird.

Aus den entstandenen Wasserstoffatomen bildeten sich dann die ersten Sterne, die ersten Galaxien und die ersten Galaxienhaufen. Und tatsächlich schienen einige Galaxien mehr Masse zu haben, als ihre sichtbaren Bestandteile ausmachen können, wobei dieser Überschuss niemand anderem als der dunklen Materie zugeschrieben wurde.

Ein vom Planck-Teleskop aufgenommenes Bild des CMB zeigt winzige Variationen, die für Kosmologen aufschlussreich sein können (Bildnachweis: ESA und Planck Collaboration)

Während Schwarze Löcher mit stellarer Masse aus dem Kollaps und dem Tod massereicher Sterne entstehen und supermassereiche Schwarze Löcher aus der aufeinanderfolgenden Verschmelzung kleinerer Schwarzer Löcher hervorgehen, gibt es Schwarze Löcher in der Urzeit vor den Sternen – sie müssen also einen einzigartigen Ursprung haben.

Einige Wissenschaftler glauben, dass die Bedingungen im heißen und dichten frühen Universum so waren, dass kleinere Materieflecken unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren konnten, um diese winzigen schwarzen Löcher zu gebären – mit Ereignishorizonten, die nicht breiter als ein Zehncentstück oder vielleicht sogar kleiner als ein Proton sind, je nach ihrer Masse.

Das Team, das hinter dieser Forschung steht, hat sich zuvor mit Modellen für primordiale schwarze Löcher im frühen Universum befasst, die jedoch nicht mit den Beobachtungen des CMB übereinstimmen. Um dies zu korrigieren, wendeten die Wissenschaftler Korrekturen auf die führende Theorie der Entstehung primordialer schwarzer Löcher an. Korrekturen auf der Grundlage der QFT.

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

„Zu Beginn war das Universum unglaublich klein, viel kleiner als die Größe eines einzelnen Atoms. Durch die kosmische Inflation vergrößerte sich das Universum rasch um 25 Größenordnungen“, so Jun’ichi Yokoyama, Direktor des Kavli IPMU und RESCEU, in der Erklärung. „Zu dieser Zeit konnten Wellen, die sich durch diesen winzigen Raum bewegten, relativ große Amplituden, aber sehr kurze Wellenlängen haben.“

Das Team fand heraus, dass diese winzigen, aber starken Wellen eine Verstärkung erfahren können, um zu viel größeren und längeren Wellen zu werden, die Astronomen im heutigen CMB sehen. Das Team glaubt, dass diese Verstärkung das Ergebnis der Kohärenz zwischen den frühen kurzen Wellen ist, die mit Hilfe der QFT erklärt werden kann.

„Während einzelne kurze Wellen relativ machtlos wären, hätten kohärente Gruppen die Kraft, Wellen zu formen, die viel größer sind als sie selbst“, sagte Yokoyama. „Dies ist ein seltener Fall, in dem eine Theorie über etwas auf einer extremen Skala etwas am anderen Ende der Skala zu erklären scheint.“

Fluktuationen im frühen Universum erzeugen primordiale schwarze Löcher (Bildnachweis: ESA/Planck Collaboration, modifiziert von Jason Kristiano)

Wenn die Theorie des Teams, dass frühe, kleinräumige Fluktuationen im Universum wachsen und großräumige Fluktuationen im CMB beeinflussen können, richtig ist, wird dies Auswirkungen darauf haben, wie sich Strukturen im Kosmos entwickelten. Die Messung der CMB-Fluktuationen könnte helfen, die Größe der ursprünglichen Fluktuationen im frühen Universum einzugrenzen. Dadurch können wiederum Phänomene eingeschränkt werden, die auf kürzere Fluktuationen angewiesen sind, wie z. B. primordiale schwarze Löcher.

„Es wird weithin angenommen, dass der Kollaps kurzer, aber starker Wellenlängen im frühen Universum die Ursache für die Entstehung primordialer Schwarzer Löcher ist“, sagt Kristiano. „Unsere Studie legt nahe, dass es viel weniger primordiale Schwarze Löcher geben sollte, als nötig wäre, wenn sie tatsächlich ein starker Kandidat für dunkle Materie oder Gravitationswellenereignisse sind.“

Primordiale Schwarze Löcher sind derzeit noch reine Hypothese. Das liegt daran, dass schwarze Löcher mit stellarer Masse das Licht einfangen, so dass selbst diese sehr viel größeren Objekte schwer zu sehen sind. Stellen Sie sich vor, wie schwierig es wäre, ein schwarzes Loch mit einem Ereignishorizont von der Größe eines Zehncentstücks zu entdecken.

Der Schlüssel zum Aufspüren primordialer schwarzer Löcher liegt möglicherweise nicht in der „traditionellen Astronomie“, sondern in der Messung winziger Wellen in der Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden. Während die derzeitigen Gravitationswellendetektoren nicht empfindlich genug sind, um Wellen in der Raumzeit zu erkennen, die von kollidierenden schwarzen Löchern aus der Urzeit stammen, werden zukünftige Projekte wie die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die die Gravitationswellendetektion in den Weltraum verlagern wird, helfen. Dies könnte dazu beitragen, die Theorie des Teams zu bestätigen oder zu verwerfen, und die Wissenschaftler der Frage näher bringen, ob schwarze Löcher aus der Urzeit für die dunkle Materie verantwortlich sein könnten.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (29. Mai) in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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