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Eine Illustration, die eine Anhäufung winziger schwarzer Löcher aus der Urzeit zeigt, die für die dunkle Materie verantwortlich sein könnten.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wenn es darum geht, dass primordiale schwarze Löcher für dunkle Materie verdächtig sind, könnte ihr Alibi in sich zusammenfallen. Winzige schwarze Löcher, die Sekunden nach der Geburt des Universums entstanden sind, könnten länger als erwartet überleben. Dies nährt den Verdacht, dass schwarze Löcher aus der Urzeit für die dunkle Materie verantwortlich sein könnten, den geheimnisvollsten Stoff des Universums.

Die dunkle Materie stellt derzeit eines der dringendsten Probleme der Physik dar. Denn obwohl sie schätzungsweise 85 % der Materie im Kosmos ausmacht, bleibt die dunkle Materie für unsere Augen praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht wechselwirkt.

Da die Teilchen, aus denen die Atome bestehen, die die „alltäglichen“ Dinge, die wir sehen können, wie Sterne, Planeten und unseren eigenen Körper, zusammensetzen, eindeutig mit Licht wechselwirken, hat dies zur Suche nach Teilchen der dunklen Materie außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik geführt. Viele Wissenschaftler glauben jedoch, dass die Antwort noch innerhalb des Standardmodells liegen könnte, wenn wir einen winzigen Cousin kosmischer Objekte betrachten, die wir normalerweise als ungeheuer massiv und sogar monströs ansehen: Schwarze Löcher.

Max-Planck-Institut-Wissenschaftler Valentin Thoss und Ana Fernandes Alexandre von der Universität Lissabon sind zwei Forscher, die sich kürzlich mit solchen Studien beschäftigt haben. Sie gehen davon aus, dass winzige Schwarze Löcher, die vor mehr als 13,8 Milliarden Jahren kurz nach dem Urknall entstanden und nicht größer als ein Proton sind, sich zu Verdächtigen für dunkle Materie zusammenballen könnten, ohne dass eine neue Physik erforderlich wäre.

Nicht nur, dass die jüngste Änderung in der Denkweise darüber, wie Schwarze Löcher „verdampfen“, zu einer Neubewertung der Eignung primordialer Schwarzer Löcher als Verdächtige für dunkle Materie geführt hat, sondern da die Suche nach einem Teilchen aus dunkler Materie weiterhin größtenteils ergebnislos verläuft, könnten mehr Forscher beginnen, die Theorie der dunklen Materie primordialer Schwarzer Löcher ernster zu nehmen.

Was sind primordiale schwarze Löcher?

„Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei ‚primordialen schwarzen Löchern‘ um eine Art von schwarzen Löchern, die am Anfang des Universums entstanden sind“, so Thoss gegenüber kosmischeweiten.de. „Und zwar innerhalb des ersten Sekundenbruchteils des Universums.“

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Er erklärte, dass alle Strukturen, die wir im Universum beobachten, von Superhaufen von Galaxien bis hin zu den Galaxien selbst, aus einer leichten Überdichte im Raum entstanden sind, die im frühen Universum vorhanden war. Wenn das frühe Universum viel stärkeren Dichteschwankungen unterlag als die, die diese Strukturen hervorgebracht haben, und diese Schwankungen zu einem früheren Zeitpunkt kollabierten, als sich die Galaxien tatsächlich bildeten, dann könnten diese übermäßig dichten Flecken die ursprünglichen schwarzen Löcher hervorgebracht haben.

Thoss fügte hinzu, dass diese primordialen schwarzen Löcher je nach dem Zeitpunkt, zu dem dieser Kollaps stattgefunden haben könnte, und dem Ausmaß des Kollapses sehr unterschiedliche Massen haben würden. Die primordialen schwarzen Löcher, die Thoss und Fernandes Alexandre als mögliche Kandidaten für dunkle Materie in Betracht ziehen, hätten Massen zwischen einigen Tonnen und tausend Tonnen, was weniger als die Masse eines Planeten und eher in der Kategorie eines kleinen Asteroiden liegt.

Ein Diagramm, das die Expansionsgeschichte des Universums zeigt. Primordiale Schwarze Löcher sind aus Dichtefluktuationen entstanden, bevor die ersten Sterne entstanden. (Bildnachweis: NASA/WMAP Science Team/Art by Dana Berry)

Wenn man bedenkt, dass die kleinsten schwarzen Löcher, die Wissenschaftler bisher entdeckt haben, die so genannten stellaren schwarzen Löcher, eine Masse haben, die zwischen dem 3- und 50-fachen der Sonne entspricht – die ihrerseits 2,2 mal 10 hoch 27 (22 gefolgt von 26 Nullen) Tonnen wiegt -, sind diese primordialen schwarzen Löcher unglaublich winzig.

Wie die größeren Schwarzen Löcher, die entweder aus dem Kollaps massereicher Sterne oder der Verschmelzung relativ kleiner Schwarzer Löcher entstanden sind, hätten die ursprünglichen Schwarzen Löcher laut Fernandes Alexandre eine äußere Begrenzung, die das Licht einfängt und als Ereignishorizont bezeichnet wird. Der Durchmesser dieses Horizonts wird durch die Masse des Schwarzen Lochs bestimmt, was bedeutet, dass der Ereignishorizont in diesen Fällen unglaublich klein sein würde. „Kleiner als der Radius eines Protons“, sagte Fernandes Alexandre.

Die Anatomie eines Schwarzen Lochs. Unabhängig von ihrer Größe haben alle Schwarzen Löcher einen Ereignishorizont. (Bildnachweis: ESO)

Kleine, ursprüngliche Schwarze Löcher waren bisher als Kandidaten für dunkle Materie ausgeschlossen worden, weil man davon ausging, dass alle Schwarzen Löcher eine Art Wärmestrahlung „entweichen“ lassen, die erstmals 1974 von Stephen Hawking theoretisiert und später als „Hawking-Strahlung“ bezeichnet wurde.

Je kleiner ein schwarzes Loch ist, desto schneller sollte es Hawking-Strahlung abgeben und somit auch schneller verdampfen. Das bedeutet, dass es die kleinsten schwarzen Löcher, wenn es sie jemals gegeben hat, heute nicht mehr geben dürfte – doch die dunkle Materie ist eindeutig vorhanden.

„Primordiale Schwarze Löcher mit den Massen, die Ana und ich jetzt in Betracht ziehen, galten bisher im Wesentlichen als ausgeschlossen, weil man davon ausging, dass sie zu diesem Zeitpunkt im Universum bereits vollständig verdampft waren“, so Thoss.

Neue Arbeiten von Giorgi Dvali, einem theoretischen Physiker an der Universität München, der mit Thoss und Fernandes Alexandre zusammengearbeitet hat, legen jedoch nahe, dass der Verdampfungsprozess an einem bestimmten Punkt zusammenbricht. Das bedeutet, dass primordiale Schwarze Löcher der von den Wissenschaftlern betrachteten Massen einen halbstabilen Zustand erreichen könnten.

„Um seine Masse durch die Emission von Hawking-Strahlung zu verringern, muss das Schwarze Loch seine Informationen ‚umschreiben‘, oder etwas anderes. Dieser Umschreibungsprozess braucht Zeit“, erklärt Fernandes Alexandre. „Man nennt das ‚Gedächtnislast‘, weil dieses Gedächtnis nun an etwas anderes weitergegeben werden muss, und das verlangsamt den Verdampfungsprozess insgesamt. Und dieser „Rettungsmechanismus“ bedeutet, dass primordiale Schwarze Löcher wieder als potenzielle Kandidaten für dunkle Materie in Frage kommen!

Ein untrügliches Zeichen für dunkle Materie?

Die Tatsache, dass urzeitliche schwarze Löcher im heutigen Universum existieren könnten, bedeutet jedoch nicht, dass sie sofort als Verdächtige für dunkle Materie betrachtet werden sollten. Es gibt nämlich noch andere Gründe, diese winzigen hypothetischen schwarzen Löcher mit dem mysteriösen Materiegehalt des Universums in Verbindung zu bringen.

Der vielleicht offensichtlichste Zusammenhang ist die fehlende Wechselwirkung der dunklen Materie mit dem Licht. Dunkle Materie emittiert oder reflektiert kein Licht, und der Ereignishorizont, der alle schwarzen Löcher begrenzt, stellt den Punkt dar, an dem die Fluchtgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um ihn zu durchqueren, die Lichtgeschwindigkeit übersteigt. Das bedeutet, dass ursprüngliche Schwarze Löcher alles einfallende Licht „einfangen“ würden, was zu einem scheinbaren Mangel an Wechselwirkungen führt.

„Wenn sie leicht genug sind, etwa in der Größenordnung einer Planetenmasse, verhalten sich primordiale Schwarze Löcher für alle uns interessierenden Zwecke wie Teilchen der Dunklen Materie“, so Thoss. „Dunkle Materie ist in den Standardmodellen ‚kollisionsfrei‘, d.h. die Teilchen der dunklen Materie interagieren nicht in einem solchen Ausmaß miteinander, dass sie das Universum beeinflussen.“

Er fügte hinzu, dass, wenn primordiale Schwarze Löcher leichter als Planetenmassen sind, sie selbst auf kosmischen Zeitskalen so klein wären, dass sie sehr selten kollidieren würden. Diese primordialen schwarzen Löcher könnten sich vielmehr zusammenballen, um die Gravitationseffekte zu erzeugen, die wir derzeit der dunklen Materie zuschreiben, wie zum Beispiel den Gravitationseinfluss, der verhindert, dass sich schnell drehende Galaxien auseinanderfliegen.

Eine Illustration einer Wolke aus dunkler Materie – könnte es sich dabei tatsächlich um einen Haufen schwarzer Löcher handeln? (Bildnachweis: Röntgenbild: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optisch: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.)

Wenn sich die ursprünglichen schwarzen Löcher jedoch zusammenballen müssen, um die Auswirkungen der dunklen Materie zu berücksichtigen, was würde diese schwarzen Löcher daran hindern, sich zusammenzuziehen und zu größeren schwarzen Löchern zu verschmelzen? Würde ein Haufen winziger schwarzer Löcher nicht irgendwann zu einem einzigen riesigen schwarzen Loch werden? Thoss sagte, dies sei untersucht worden, und die Antwort lautet schlicht: „Nein“.

„Selbst wenn man die Clusterbildung berücksichtigt, sind die Zeitskalen für die Verschmelzung so lang, dass sie erst im Laufe des gesamten Alters des Universums zu wirklich massiven Schwarzen Löchern verschmelzen würden“, fuhr er fort.

Thoss fügte hinzu, dass das Schöne an der Verwendung von primordialen schwarzen Löchern als Erklärung für die dunkle Materie darin besteht, dass sie im Gegensatz zu einem hypothetischen Teilchen wie einem Axion zur Erklärung des Rätsels keine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik erfordern, der besten Erklärung, die wir für das Universum auf subatomarer Ebene haben.

Allerdings wird es unglaublich schwierig sein, schwarze Löcher als dunkle Materie zu bestätigen, wenn sie das Phänomen wirklich erklären. Auch hier gilt, dass sie aufgrund ihrer lichtverschlingenden Natur praktisch unsichtbar sind. Außerdem haben sie bei einer so geringen Größe nicht die gleichen immensen Gravitationswirkungen wie ihre stellaren und supermassereichen Brüder.

Selbst wenn ein Haufen primordialer schwarzer Löcher entdeckt werden sollte, gibt es keine wirkliche Möglichkeit, den Unterschied zwischen vielen kleinen schwarzen Löchern und einem großen schwarzen Loch zu erkennen.

Trotz dieser Schwierigkeit haben Thoss und Fernandes Alexandre die Absicht, den primordialen schwarzen Löchern auf den Fersen zu bleiben – zumindest theoretisch. Wenn sich die Teilchenkandidaten für dunkle Materie weiterhin nicht manifestieren, liegt die Antwort vielleicht darin, mehr Physiker dazu zu bringen, über den metaphorischen Zaun zwischen Teilchenphysik und Kosmologie zu schauen.

„Ich würde nicht sagen, dass primordiale schwarze Löcher jemals als Kandidaten für dunkle Materie abgetan wurden; sie wurden allerdings eine Zeit lang ignoriert“, sagte Fernandes Alexandre. „Jetzt, wo wir keinen wirklichen Nachweis von dunkler Teilchenmaterie haben, denke ich, dass es immer wichtiger wird, diese Option in Betracht zu ziehen.“