Dunkle Materie: Wie ursprüngliche Schwarze Löcher ein seit langem bestehendes Rätsel erklären können

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Seit etwa 50 Jahren kämpft die Wissenschaftsgemeinschaft mit einem großen Problem: Es gibt nicht genügend sichtbare Materie im Universum.

Die gesamte Materie, die wir sehen können – Sterne, Planeten, kosmischer Staub und alles dazwischen – kann nicht erklären, warum sich das Universum so verhält, und für die Beobachtungen der Forscher müsste es fünfmal so viel Materie um uns herum geben Sinn ergeben. Laut NASA. Wissenschaftler nennen diese Substanz dunkle Materie, weil sie nicht mit Licht interagiert und unsichtbar ist.

In den 1970er Jahren haben die amerikanischen Astronomen Vera Rubin und… Kent Ford entdeckte die Existenz dunkler Materie, indem er Sterne untersuchte, die den Rand von Spiralgalaxien umkreisen. Sie stellten fest, dass sich diese Sterne zu schnell bewegten, als dass sie von der sichtbaren Materie und der Schwerkraft der Galaxie zusammengehalten werden könnten, und dass sie stattdessen weggeblasen werden müssten. Die einzige Erklärung war, dass es eine große Menge unsichtbarer Materie gab, die die Galaxie zusammenhielt.

„Was man in einer Spiralgalaxie sieht“ sagte Robin Damals: „Das ist nicht das, was man bekommt.“ Ihre Arbeit stützte sich auf eine Hypothese, die der Schweizer Astronom Fritz Zwicky in den 1930er Jahren formulierte, und begann mit der Suche nach der schwer fassbaren Materie.

Seitdem versuchen Wissenschaftler, Dunkle Materie direkt zu beobachten und sogar aufzubauen Tolle Geräte Es zu entdecken, aber bisher hatten wir kein Glück.

Zu Beginn seiner Forschung stellte der berühmte britische Physiker Stephen Hawking die Hypothese auf, dass sich dunkle Materie in Schwarzen Löchern verbergen könnte – dem Hauptthema seiner Arbeit –, die während des Urknalls entstanden.

Jetzt hat eine neue Studie von Forschern des MIT die Theorie wieder ins Rampenlicht gerückt, indem sie enthüllte, woraus diese ursprünglichen Schwarzen Löcher bestehen, und dabei möglicherweise einen ganz neuen Typ exotischer Schwarzer Löcher entdeckte.

„In dieser Hinsicht war es eine wirklich schöne Überraschung“, sagte David Kaiser, einer der Autoren der Studie.

„Wir nutzten Stephen Hawkings berühmte Berechnungen über Schwarze Löcher, insbesondere sein wichtiges Ergebnis über die Strahlung, die Schwarze Löcher aussenden“, sagte Kaiser. „Diese seltsamen Schwarzen Löcher entstehen bei dem Versuch, das Problem der Dunklen Materie anzugehen. Sie sind ein Nebenprodukt der Erklärung der Dunklen Materie.“

Wissenschaftler haben viele Vermutungen darüber angestellt, was dunkle Materie ist, von unbekannten Teilchen bis hin zu zusätzlichen Dimensionen. Doch Hawkings Theorie über Schwarze Löcher trat erst vor Kurzem in Kraft.

„Die Leute haben es bis vor vielleicht zehn Jahren nicht ernst genommen“, sagte die Co-Autorin der Studie, Elba Alonso Monsalve, eine Doktorandin am MIT. „Das liegt daran, dass Schwarze Löcher einst wirklich weit hergeholt schienen. In den frühen 1900er Jahren dachten die Leute, sie seien nur eine lustige mathematische Tatsache, nicht nur eine physikalische Tatsache.“

Wir wissen jetzt, dass fast jede Galaxie ein Schwarzes Loch in ihrem Zentrum enthält, fanden Einstein-Forscher heraus Gravitationswellen Es entstand durch die Kollision von Schwarzen Löchern im Jahr 2015 – eine bahnbrechende Entdeckung – und zeigte, dass sie überall sind.

„Tatsächlich ist das Universum voller Schwarzer Löcher“, sagte Alonso Monsalve. „Aber es wurde kein Teilchen dunkler Materie gefunden, obwohl die Menschen an allen Orten gesucht haben, an denen sie es erwartet hatten. Das bedeutet nicht, dass es sich bei dunkler Materie nicht um ein Teilchen handelt oder dass es sich mit Sicherheit um eine Kombination davon handelt Beides aber: „Schwarze Löcher werden ernst genommen als Kandidaten für Dunkle Materie.“

zuletzt Moderne Studien Hawkings Hypothese hat sich als wahr bestätigt, aber die Arbeit von Alonso Monsalvi und Kaiser, Professor für Physik und Professor für Wissenschaftsgeschichte am Germshausen-Institut am MIT, geht noch einen Schritt weiter und untersucht genau, was geschah, als ursprünglich schwarze Löcher entstanden gebildet. .

Die Stadyveröffentlicht am 6. Juni in der Zeitschrift Physical Review Letters, enthüllt, dass diese Schwarzen Löcher in der ersten fünfmillionsten Sekunde des Urknalls aufgetaucht sein müssen: „Das ist sehr früh, viel früher als der Moment, als Protonen und Neutronen auftauchten, „Die Moleküle, aus denen alles besteht, wurden gebildet“, sagte Alonso Monsalve.

Sie fügte hinzu, dass wir in unserer täglichen Welt keine zerfallenen Protonen und Neutronen finden können, bei denen es sich um Elementarteilchen handelt. Wir wissen jedoch, dass dies nicht der Fall ist, da es aus kleineren Teilchen, sogenannten Quarks, besteht, die von anderen Teilchen, sogenannten Gluonen, zusammengehalten werden.

„Quarks und Gluonen kann man jetzt im Universum nicht allein und frei finden, weil es zu kalt ist“, fügte Alonso Monsalvi hinzu. „Aber zu Beginn des Urknalls, als es sehr heiß war, hätten sie allein und frei gefunden werden können. Ursprüngliche Schwarze Löcher entstanden also durch die Absorption freier Quarks und Gluonen.

Eine solche Konfiguration würde es radikal von den astrophysikalischen Schwarzen Löchern unterscheiden, die Wissenschaftler normalerweise im Universum beobachten und die das Ergebnis des Zusammenbruchs von Sternen sind. Das ursprüngliche Schwarze Loch wäre auch viel kleiner, da nur die Masse des Asteroiden im Durchschnitt auf die Größe eines Atoms verdichtet wäre. Aber wenn nicht genügend dieser ursprünglichen Schwarzen Löcher zu Beginn des Urknalls verdampften und bis zum heutigen Tag überlebten, könnten sie für die gesamte oder einen Großteil der Dunklen Materie verantwortlich sein.

Während sich die ursprünglichen Schwarzen Löcher bildeten, muss sich der Studie zufolge als eine Art Nebenprodukt eine andere Art unsichtbarer Schwarzer Löcher gebildet haben. Dies wäre kleiner gewesen, nur ein Block A Einhornauf weniger als die Größe eines Protons verdichtet.

Aufgrund ihrer geringen Größe konnten diese winzigen Schwarzen Löcher eine seltene und seltsame Eigenschaft der Quark-Gluon-Suppe, in der sie entstanden, einfangen, die sogenannte „Farbladung“. Es handele sich um einen Ladungszustand, der auf Quarks und Gluonen beschränkt sei und nie in gewöhnlichen Objekten gefunden werde, sagte Kaiser.

Diese Farbladung würde es einzigartig unter Schwarzen Löchern machen, die normalerweise keinerlei Ladung tragen. „Es ist unvermeidlich, dass sich auch diese kleineren Schwarzen Löcher als Nebenprodukt (der Bildung ursprünglicher Schwarzer Löcher) gebildet hätten, aber sie würden heute nicht mehr existieren, weil sie bereits verdampft wären“, sagte Alonso Monsalve.

Wäre es jedoch noch etwa zehn Millionstel Sekunden vom Urknall entfernt, als sich Protonen und Neutronen bildeten, hätte es sichtbare Fingerabdrücke hinterlassen können, indem es das Gleichgewicht zwischen den beiden Teilchenarten veränderte.

„Das Gleichgewicht zwischen der Anzahl der Protonen und der Anzahl der erzeugten Neutronen ist sehr heikel und hängt davon ab, welche andere Materie zu diesem Zeitpunkt im Universum vorhanden war“, fügte sie hinzu. „Wenn es diese schwarzen Löcher mit farbigen Ladungen noch gab.“ könnte das Gleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen verändern.“ (Für den einen oder anderen), was gerade ausreicht, um das in den nächsten Jahren zu messen.“

Die Messung könnte von bodengestützten Teleskopen oder empfindlichen Instrumenten auf umlaufenden Satelliten stammen, sagte Kaiser. Er fügte hinzu, dass es möglicherweise eine andere Möglichkeit gäbe, die Existenz dieser seltsamen Schwarzen Löcher zu bestätigen.

„Die Bildung einer Ansammlung von Schwarzen Löchern ist ein äußerst heftiger Prozess, der enorme Wellen in die umgebende Raumzeit senden würde. Diese Geschwindigkeiten werden im Laufe der kosmischen Geschichte abnehmen, aber nicht auf Null“, sagte Kaiser „Ein Blick auf schwarze Löcher mit geringer Masse – ein exotischer Zustand der Materie, der ein unerwartetes Nebenprodukt gewöhnlicher schwarzer Löcher war und die heutige dunkle Materie erklären könnte.“

Was bedeutet das für laufende Experimente zum Nachweis Dunkler Materie, z.B LZ-Experiment zur Dunklen Materie In South Dakota?

„Die Idee seltsamer neuer Teilchen bleibt eine interessante Hypothese“, sagte Kaiser. Es gibt andere Arten großer Experimente, von denen einige im Bau sind und nach innovativen Möglichkeiten zur Erkennung von Gravitationswellen suchen. Diese könnten tatsächlich einige Streusignale aus dem extrem heftigen Entstehungsprozess ursprünglicher Schwarzer Löcher auffangen.

Alonso Monsalvi fügte hinzu, dass auch die Möglichkeit bestehe, dass ursprüngliche Schwarze Löcher nur ein kleiner Teil der Dunklen Materie seien. „Es muss nicht wirklich dasselbe sein“, sagte sie. „Es gibt fünfmal mehr dunkle Materie als normale Materie, und normale Materie besteht aus einer ganzen Reihe verschiedener Teilchen. Warum muss dunkle Materie also ein Objekttyp sein?“

Ursprüngliche Schwarze Löcher erlangten mit der Entdeckung der Gravitationswellen wieder Popularität, doch über ihre Entstehung ist wenig bekannt, so Nico Capellotti, Assistenzprofessor am Department of Physics der University of Miami. Er nahm nicht an der Studie teil.

„Diese Arbeit ist eine interessante und praktikable Option zur Erklärung schwer fassbarer Dunkler Materie“, sagte Capellotti.

„Die Studie ist spannend und legt einen neuen Mechanismus für die Bildung der ersten Generation von Schwarzen Löchern nahe“, sagte Priyamvada Natarajan, Joseph S. und Sophia S. Fruton-Professorin für Astronomie und Physik an der Yale University. Sie nahm auch nicht an der Studie teil.

„Der gesamte Wasserstoff und Helium in unserem heutigen Universum wurde in den ersten drei Minuten erzeugt, und wenn schon damals genügend dieser ursprünglichen Schwarzen Löcher existiert hätten, hätten sie diesen Prozess beeinflusst und diese Effekte wären möglicherweise nachweisbar gewesen“, sagte Natarajan. .

„Die Tatsache, dass dies eine durch Beobachtungen überprüfbare Hypothese ist, finde ich wirklich spannend, abgesehen von der Tatsache, dass dies darauf hindeutet, dass die Natur wahrscheinlich schon in frühester Zeit über mehrere Wege schwarze Löcher geschaffen hat.“