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Wenn es darum geht, urzeitliche Schwarze Löcher als dunkle Materie zu verdächtigen, könnte ihre Ausrede bald in sich zusammenfallen. Winzige Schwarze Löcher, die sich Sekunden nach der Geburt des Universums gebildet haben, könnten länger als erwartet bestehen bleiben, was neue Vermutungen aufkommen lässt, dass urzeitliche Schwarze Löcher für die Dunkle Materie, die mysteriöseste Materie im Universum, verantwortlich sein könnten.
Dunkle Materie stellt derzeit eines der drängendsten Probleme der Physik dar. Denn obwohl sie schätzungsweise 85 % der Materie im Universum ausmacht, bleibt dunkle Materie für unsere Augen unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert.
Da die Teilchen, aus denen die Atome bestehen, aus denen die „normalen“ Objekte bestehen, die wir sehen können, wie Sterne, Planeten und unser eigener Körper, offensichtlich mit Licht interagieren, hat dies eine Suche nach Teilchen der Dunklen Materie außerhalb des Standardteilchenmodells ausgelöst Physik. Viele Wissenschaftler glauben, dass die Antwort immer noch im Standardmodell liegt. Wenn wir jedoch einen kleineren Verwandten kosmischer Objekte betrachten, sehen wir sie normalerweise als extrem massiv, sogar monströs: Schwarze Löcher.
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Wissenschaftler am Max-Planck-Institut Valentin Thos Und Anna Fernandez Alexander Von der Universität Lissabon waren kürzlich zwei Forscher an solchen Studien beteiligt. Sie gehen davon aus, dass kleine Schwarze Löcher, die vor mehr als 13,8 Milliarden Jahren, unmittelbar nach dem Urknall, entstanden und nicht größer als ein Proton sind, ohne die Notwendigkeit neuer Physik zu Verdächtigen der Dunklen Materie zusammengewachsen sein könnten.
Der jüngste Wandel in der Denkweise darüber, wie Schwarze Löcher „verdampfen“, hat nicht nur zu einer Neubewertung der Lebensfähigkeit ursprünglicher Schwarzer Löcher geführt, da dunkle Materie vermutet wird, sondern da die Suche nach Teilchen dunkler Materie weiterhin weitgehend ergebnislos bleibt, könnte sie beginnen zu… Immer mehr Forscher befassen sich ernsthafter mit der Theorie der ursprünglichen Dunklen Materie des Schwarzen Lochs.
Was sind ursprüngliche Schwarze Löcher?
„Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei ursprünglichen Schwarzen Löchern um eine Art Schwarzes Loch, das sich zu Beginn des Universums gebildet hat“, sagte Thos gegenüber Space.com. „Eigentlich innerhalb des ersten Bruchteils einer Sekunde des Universums.“
Er erklärte, dass alle Strukturen, die wir im Universum beobachten, von Superhaufen von Galaxien bis hin zu Galaxien in sich selbst, durch geringfügige Überdichten im Raum gebildet werden, die zu Beginn des Universums vorhanden waren. Wenn das frühe Universum Dichteschwankungen erlebte, die viel stärker waren als diejenigen, die diese Strukturen erzeugten, und diese Schwankungen früher zusammenbrachen, als sich tatsächlich Galaxien bildeten, könnten diese extrem dichten Flecken ursprüngliche Schwarze Löcher stimuliert haben.
Je nachdem, wann dieser Zusammenbruch stattfand und wie groß der Zusammenbruch war, werden diese ursprünglichen Schwarzen Löcher sehr unterschiedliche Massen haben, fügte Thos hinzu. Die ursprünglichen Schwarzen Löcher, die Thos und Fernandez-Alexander als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie betrachten, hätten Massen zwischen einigen und tausend Tonnen, um genau zu sein, was weniger als die Masse eines Planeten und eher in der Kategorie eines kleinen Planeten liegt Asteroid.
Angesichts der Tatsache, dass die kleinsten Schwarzen Löcher, die Wissenschaftler bisher entdeckt haben, sogenannte Schwarze Löcher mit Sternmasse, Massen haben, die dem 3- bis 50-fachen der Sonnenmasse entsprechen – was wiederum 2,2 mal 10 hoch 27 ist (22 gefolgt von 26). ). (Nullen) Tonnen – Diese ursprünglichen Schwarzen Löcher sind unglaublich klein.
Wie ihre größeren Gegenstücke zu Schwarzen Löchern, die entweder durch den Kollaps massereicher Sterne oder durch die Verschmelzung relativ kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sind, hätten ursprüngliche Schwarze Löcher laut Fernandez-Alexander eine lichteinfangende äußere Grenze, die 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 wäre. „Kleiner als der Radius eines Protons“, sagte Fernandez-Alexander.
Kleine urzeitliche Schwarze Löcher wurden bisher als Kandidaten für Dunkle Materie ausgeschlossen, da angenommen wird, dass alle Schwarzen Löcher eine Art Wärmestrahlung „aussickern lassen“, die erstmals 1974 von Stephen Hawking vermutet und später „Hawking-Strahlung“ genannt wurde.
Je kleiner das Schwarze Loch, desto schneller kann die Hawking-Strahlung entweichen und desto schneller muss sie verdampfen. Das bedeutet, dass, wenn es überhaupt schwarze Löcher gegeben hätte, die kleinsten Exemplare heute nicht mehr existieren dürften, dunkle Materie jedoch eindeutig existiert.
„Ursprüngliche Schwarze Löcher mit den Massen, die Anna und ich jetzt untersuchen, galten bisher als unwahrscheinlich, da angenommen wurde, dass sie zu diesem Zeitpunkt im Universum vollständig verdampft seien“, sagte Thos.
Jüngste Arbeiten von György Dvali, einem theoretischen Physiker an der Universität München, der mit Thos und Fernandez-Alexander zusammengearbeitet hat, legen jedoch nahe, dass der Verdunstungsprozess irgendwann zusammenbricht. Dies bedeutet, dass ursprüngliche Schwarze Löcher mit den von Wissenschaftlern angenommenen Massen einen quasistationären Zustand erreichen könnten.
„Um seine Masse durch die Emission von Hawking-Strahlung zu reduzieren, muss das Schwarze Loch seine Informationen oder etwas anderes neu schreiben. Und dieser Umschreibungsprozess braucht Zeit“, erklärte Fernandez-Alexander. „Das nennt man ‚Gedächtnisbelastung‘, weil das Gedächtnis nun zu etwas anderem übergehen muss, und das verlangsamt den gesamten Verdunstungsprozess. Es ist also eine Art Stabilisierung.“
Dieser „Rettungsmechanismus“ bedeutet, dass urzeitliche Schwarze Löcher wieder als potenzielle Kandidaten für Dunkle Materie gelten!
Ein echter Hinweis auf dunkle Materie?
Allerdings bedeutet die Tatsache, dass es heute im Universum urzeitliche Schwarze Löcher gibt, nicht sofort, dass man sie als Verdächtige der Dunklen Materie betrachten sollte. Tatsächlich gibt es noch andere Gründe, diese kleinen hypothetischen Schwarzen Löcher mit dem mysteriösen Materiegehalt des Universums in Verbindung zu bringen.
Der vielleicht offensichtlichste Zusammenhang besteht darin, dass dunkle Materie nicht mit Licht interagiert. Dunkle Materie emittiert oder reflektiert kein Licht, und der Ereignishorizont, der an alle Schwarzen Löcher grenzt, markiert den Punkt, an dem die zum Überqueren erforderliche Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Dies bedeutet, dass ursprüngliche Schwarze Löcher das gesamte einfallende Licht „einfangen“, was zu einem offensichtlichen Mangel an Wechselwirkungen führt.
„Wenn sie hell genug sind, dann verhalten sich urzeitliche Schwarze Löcher irgendwo in der Umgebung einer Planetenmasse für alle Zwecke, die uns interessieren, wie Teilchen dunkler Materie“, sagte Thos. „Dunkle Materie ist in den Standardmodellen ‚kollisionsfrei‘, daher interagieren die Teilchen der dunklen Materie nicht so sehr miteinander, dass sie das Universum beeinflussen.“
Er fügte hinzu, dass, wenn ursprüngliche Schwarze Löcher leichter als Planetenmassen wären, sie selbst auf kosmischen Zeitskalen so klein wären, dass sie selten kollidieren würden. Diese ursprünglichen Schwarzen Löcher könnten zusammen die Gravitationseffekte erzeugen, die wir derzeit der Dunklen Materie zuschreiben, wie etwa einen Gravitationseinfluss, der verhindert, dass schnell rotierende Galaxien weggeblasen werden.
Wenn sich jedoch ursprüngliche Schwarze Löcher zusammenballen müssten, um die Auswirkungen der Dunklen Materie zu erklären, was würde diese Schwarzen Löcher dann daran hindern, sich zu versammeln und zu größeren Schwarzen Löchern zu verschmelzen? Würde aus einer Ansammlung winziger Schwarzer Löcher nicht irgendwann nur noch ein supermassereiches Schwarzes Loch werden? Dies wurde untersucht und die Antwort lautet einfach: „Nein“, sagte Thos.
„Selbst wenn man die Verklumpung berücksichtigt, sind die Zeitskalen der Verschmelzung so lang, dass sie während der gesamten Lebensdauer des Universums nur zu sehr massereichen Schwarzen Löchern verschmelzen würden“, fuhr er fort.
Thos fügte hinzu, dass das Schöne an der Verwendung urzeitlicher Schwarzer Löcher als Erklärung für Dunkle Materie darin besteht, dass urzeitliche Schwarze Löcher keine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik erfordern, im Gegensatz zur Annahme eines hypothetischen Teilchens wie der Achse zur Erklärung des Rätsels. Unsere beste Erklärung des Universums erfolgt auf subatomaren Skalen.
Es wäre jedoch sehr schwierig, urzeitliche Schwarze Löcher als Dunkle Materie zu bestätigen, wenn sie dieses Phänomen tatsächlich erklären. Auch hier gilt, dass sie aufgrund ihrer lichteinfangenden Natur praktisch unsichtbar sind. Darüber hinaus haben sie bei so geringer Größe nicht die gleichen massiven Gravitationseffekte wie ihre stellaren und supermassereichen Brüder.
Selbst wenn eine Gruppe ursprünglicher Schwarzer Löcher entdeckt würde, gäbe es keine wirkliche Möglichkeit, den Unterschied zwischen vielen kleinen Schwarzen Löchern und einem großen Schwarzen Loch zu erkennen.
Trotz dieser Schwierigkeit beabsichtigen Thos und Fernandez-Alexander, am hinteren Ende ursprünglicher Schwarzer Löcher zu bleiben – zumindest theoretisch. Wenn weiterhin keine Kandidaten für dunkle Materie auftauchen, besteht die Antwort möglicherweise darin, mehr Physiker dazu zu bewegen, sich mit der metaphorischen Grenze zwischen Teilchenphysik und Kosmologie zu befassen.
„Ich kann nicht sagen, dass urzeitliche Schwarze Löcher jemals als Kandidaten für die Dunkle Materie ausgeschlossen wurden, aber sie wurden eine Zeit lang ignoriert“, sagte Fernandez-Alexander. „Angesichts der Tatsache, dass wir keine wirkliche Entdeckung von Teilchen der Dunklen Materie haben, denke ich, dass es immer angemessener wird, diese Option in Betracht zu ziehen.“
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