Was wäre, wenn dunkle Materie aus einer Population von Schwarzen Löchern bestünde, die den von LIGO im letzten Jahr entdeckten ähnlich sind? Eine neue Studie analysiert diese Möglichkeit.
Künstlerkonzept der ursprünglichen Schwarzen Löcher über die NASA.
Moderne Astronomen glauben, dass ein wesentlicher Teil unseres Universums in Form von dunkler Materie existiert. Wie jede Materie scheint dunkle Materie eine Anziehungskraft auszuüben, aber sie kann nicht gesehen werden. Wenn es existiert, sendet es weder Licht noch irgendeine andere Form von Strahlung aus, die Wissenschaftler entdeckt haben. Wissenschaftler bevorzugen theoretische Modelle, die zur Erklärung der dunklen Materie exotische massive Teilchen verwenden. Bisher gibt es jedoch keine Beobachtungsnachweise dafür, dass dies der Fall ist. Am 24. Mai 2016 kündigte die NASA eine neue Studie an, die die Idee einer alternativen Hypothese untermauert: Dunkle Materie könnte aus Schwarzen Löchern bestehen.
Alexander Kashlinsky, Astrophysiker bei der NASA Goddard, leitete die neue Studie. Er sagte:
… Eine Anstrengung, eine breite Palette von Ideen und Beobachtungen zusammenzubringen, um zu testen, wie gut sie passen, und die Passform ist überraschend gut. Wenn dies zutrifft, sind alle Galaxien, einschließlich unserer, in eine riesige Sphäre von Schwarzen Löchern eingebettet, die jeweils etwa das 30-fache der Sonnenmasse betragen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, schwarze Löcher zu bilden, aber alle beinhalten hohe Materiedichten. Die schwarzen Löcher in Kashlinskys Studie heißen Ursprüngliche Rückenlöcher, vermutlich in Sekundenbruchteilen nach dem Urknall entstanden, als der Druck und die Temperaturen extrem hoch waren. Während dieser Zeit könnten winzige Schwankungen der Materiedichte das frühe Universum mit schwarzen Löchern übersät haben, und wenn dies der Fall wäre, wären diese ursprünglichen schwarzen Löcher bis zu unserer Zeit stabil geblieben, wenn sich das Universum ausgedehnt hätte.
In seiner neuen Arbeit weist Kashlinsky auf zwei Hauptbeweise hin, dass diese Schwarzen Löcher für die fehlende dunkle Materie verantwortlich sein können, die unser Universum durchdringen soll. Seine Aussage erklärt, dass diese Idee:
… Stimmt mit unserem Wissen über kosmische Infrarot- und Röntgenstrahlen im Hintergrund überein und erklärt möglicherweise die unerwartet hohen Massen von verschmelzenden Schwarzen Löchern, die im letzten Jahr entdeckt wurden.
Links: Dieses Bild vom NASA-Spitzer-Weltraumteleskop zeigt eine Infrarotansicht eines Himmelsbereichs im Sternbild Ursa Major. Rechts: Nachdem alle bekannten Sterne, Galaxien und Artefakte ausgeblendet und die verbleibenden Elemente verbessert wurden, wird ein unregelmäßiges Hintergrundlicht angezeigt. Dies ist der kosmische Infrarothintergrund (CIB); Hellere Farben zeigen hellere Bereiche an. Bild über NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard)
Der erste Beweis ist eine übermäßige Uneinheitlichkeit des beobachteten Hintergrundschimmers von Infrarotlicht.
2005 führte Kashlinsky ein Team von Astronomen mit dem NASA-Spitzer-Weltraumteleskop an, um dieses infrarote Hintergrundlicht in einem Teil des Himmels zu untersuchen. Sein Team kam zu dem Schluss, dass die beobachtete Uneinheitlichkeit wahrscheinlich durch das aggregierte Licht der ersten Quellen verursacht wurde, die das Universum vor mehr als 13 Milliarden Jahren beleuchteten. Dann wird die Frage… was waren diese ersten Quellen? Waren ursprüngliche Schwarze Löcher unter ihnen?
Follow-up-Studien bestätigten, dass dieser kosmische Infrarot-Hintergrund (CIB) in anderen Himmelsregionen ähnliche unerwartete Flecken aufweist. Im Jahr 2013 verglich eine Studie, wie der kosmische Röntgenhintergrund mit dem infraroten Hintergrund im selben Bereich des Himmels verglichen wurde. In der Erklärung von Kashlinksy heißt es:
… Das unregelmäßige Leuchten energiearmer Röntgenstrahlen in der Mitte passte gut zur Uneinheitlichkeit des Brunnens. Das einzige Objekt, von dem wir wissen, dass es in diesem weiten Energiebereich ausreichend hell sein kann, ist ein Schwarzes Loch.
Die 2013 durchgeführte Studie kam zu dem Schluss, dass die ersten schwarzen Löcher unter den frühesten Sternen reichlich vorhanden sein müssen und mindestens eine von fünf Quellen ausmachen, die zum kosmischen Infrarothintergrund beitragen.
Kommen wir nun zum 14. September 2015 und zu Kashlinskys zweitem Beweis, dass ursprüngliche Schwarze Löcher dunkle Materie ausmachen. An diesem in der Wissenschaftsgeschichte markierten Datum haben Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) erstmals aufregende Gravitationswellen detektiert. Man nimmt an, dass ein 1,3 Milliarden Lichtjahre entferntes Paar sich verschmelzender Schwarzer Löcher die von LIGO im vergangenen September entdeckten Wellen erzeugt hat. Die Wellen sind Wellen im Gewebe der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Dieses Ereignis war nicht nur die erste Detektion von Gravitationswellen, sondern auch die erste direkte Detektion von Schwarzen Löchern, vorausgesetzt, das LIGO-Ereignis wurde korrekt interpretiert. Als solches lieferte es den Wissenschaftlern Informationen über die Massen der einzelnen Schwarzen Löcher, die das 29- und 36-fache der Sonnenmasse betrugen, plus oder minus etwa vier Sonnenmassen.
In seiner neuen Studie wies Kashlinsky darauf hin, dass dies die ungefähre Masse ursprünglicher Schwarzer Löcher sein soll. Tatsächlich schlägt er vor, dass das, was LIGO entdeckt haben könnte, eine Fusion ursprünglicher Schwarzer Löcher war.
Primordiale Schwarze Löcher könnten, falls vorhanden, den vom LIGO-Team im Jahr 2015 entdeckten verschmelzenden Schwarzen Löchern ähneln. Diese Computersimulation zeigt in Zeitlupe, wie diese Verschmelzung aus nächster Nähe ausgesehen hätte. Der Ring um die Schwarzen Löcher, Einstein-Ring genannt, entsteht aus allen Sternen in einer kleinen Region direkt hinter den Löchern, deren Licht durch Gravitationslinsen verzerrt wird. Die von LIGO detektierten Gravitationswellen werden in diesem Video nicht gezeigt, obwohl ihre Auswirkungen im Einsteinring sichtbar sind. Gravitationswellen, die sich hinter den Schwarzen Löchern ausbreiten, stören die Sternbilder des Einstein-Rings und lassen sie auch noch lange nach Abschluss der Fusion im Ring herumschwappen. Gravitationswellen, die sich in andere Richtungen bewegen, verursachen überall außerhalb des Einsteinrings schwächere, kurzlebigere Schwappbewegungen. Bei Echtzeitwiedergabe würde der Film etwa eine Drittelsekunde dauern. Bild über SXS Lensing.
In seiner neuen Veröffentlichung vom 24. Mai 2016 in Die astrophysikalischen ZeitschriftenbriefeKashlinsky analysiert, was passiert sein könnte, wenn dunkle Materie aus einer Population von Schwarzen Löchern besteht, die den von LIGO entdeckten ähnlich sind. Seine Aussage schloss:
Die Schwarzen Löcher verzerren die Massenverteilung im frühen Universum und fügen eine kleine Fluktuation hinzu, die Hunderte von Millionen Jahren später Konsequenzen hat, wenn sich die ersten Sterne zu bilden beginnen.
Während eines Großteils der ersten 500 Millionen Jahre des Universums war die normale Materie zu heiß, um zu den ersten Sternen zu verschmelzen. Dunkle Materie blieb von der hohen Temperatur unberührt, da sie unabhängig von ihrer Natur hauptsächlich durch die Schwerkraft interagiert. Durch gegenseitige Anziehung kollabierte die dunkle Materie zunächst zu Klumpen, den sogenannten Minihalogen, die einen Gravitationskeim bildeten, der es ermöglichte, dass sich normale Materie ansammelte. Heißes Gas brach zu den Minihalogen zusammen, was zu Gasansammlungen führte, die dicht genug waren, um von alleine in die ersten Sterne einzudringen. zeigt, dass, wenn Schwarze Löcher die Rolle der Dunklen Materie spielen, dieser Prozess schneller und einfacher abläuft und die in Spitzer-Daten erkannten Klumpen erzeugt, selbst wenn nur ein kleiner Bruchteil der Minihalogen es schafft, Sterne zu produzieren.
Wenn kosmisches Gas in die Minihalogen fiel, würden ihre konstituierenden Schwarzen Löcher natürlich auch etwas davon einfangen. Materie, die auf ein Schwarzes Loch fällt, erwärmt sich und erzeugt letztendlich Röntgenstrahlen. Zusammen können Infrarotlicht von den ersten Sternen und Röntgenstrahlen von Gas, die in schwarze Löcher der dunklen Materie fallen, die beobachtete Übereinstimmung zwischen der Uneinheitlichkeit von und erklären.
Gelegentlich passieren einige ursprüngliche Schwarze Löcher nahe genug, um durch Gravitation in binäre Systeme eingefangen zu werden. Die Schwarzen Löcher in jedem dieser Binärblöcke senden über Äonen Gravitationsstrahlung aus, verlieren Orbitalenergie und wandeln sich nach innen und verschmelzen schließlich zu einem größeren Schwarzen Loch, wie es LIGO beobachtet hat.