Da draußen zwischen den Sternen liegt ein verborgener Schwarm schwarzer Löcher. Sie sind seit Anbeginn der Zeit da und haben leise und nicht so subtil die Entwicklung des Universums beeinflusst. Ohne sie gäbe es keine Sterne, keine Planeten und kein Leben, um die Wunder des Universums zu bestaunen. Jetzt haben wir vielleicht zum allerersten Mal endlich die Werkzeuge, um sie zu finden.
Schwarze Löcher sind eines der berühmtesten Objekte der Astronomie. Ihre Schwerkraft ist so extrem, dass ein Entkommen unmöglich ist, wenn Sie sich zu nahe wagen. Es gibt unterschiedliche Größen von Schwarzen Löchern, aber sie sind normalerweise gigantische Monster, die erheblich massiver sind als unsere eigene Sonne.
Sie bleiben normalerweise verborgen, weil kein Licht entweichen kann, um sie uns zu offenbaren. Dennoch haben wir sie gesehen, dank Gravitationswellendetektoren wie LIGO und VIRGO, die Signale von kollidierenden Schwarzen Löchern entdeckt haben. Wir waren uns noch nie so sicher, dass diese kosmischen Falltüren existieren.
Es gibt jedoch eine Art von Schwarzen Löchern, die immer noch theoretisch bleibt, eine, die obendrein ein seit langem bestehendes kosmologisches Rätsel lösen könnte.
Unmittelbar nach dem Urknall gab es kleine Schwankungen in der Dichte des neuen Universums – Regionen, die etwas mehr oder weniger Masse als der Durchschnitt hatten. Wo die Masse über der Norm lag, könnte Material kollabiert sein, um kleine schwarze Löcher zu bilden. Da es sie schon so lange gibt wie das Universum selbst, werden diese Schwarzen Löcher als „ursprüngliche“ Schwarze Löcher bezeichnet.
Nach theoretischen Modellen können primordiale Schwarze Löcher eine breite Palette von Massen haben. Sie könnten leichter als eine Wimper oder schwerer als ein Stern sein. Bisher konnten wir einige Massen durch Beobachtungen ausschließen und zwei mögliche Massenbereiche oder „Fenster“ für primordiale Schwarze Löcher öffnen.
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„Die beiden Fenster sind kleiner als eine Mondmasse [eine Mondmasse =Masse unseres Mondes] und einige zehn Sonnenmassen [eine Sonnenmasse =Masse unserer Sonne]“, sagt Prof. Sohrab Rahvar, ein Astrophysiker und Kosmologe aus Sharif Technische Universität im Iran.
Wenn diese verborgene Population kleiner schwarzer Löcher existiert, könnten sie einen Teil oder die gesamte Dunkle Materie ausmachen – der unsichtbare Klebstoff, von dem Astronomen glauben, dass er hilft, Galaxien wie unsere eigene Milchstraße zusammenzuhalten. Es ist eine Idee, die in Ungnade gefallen ist, aber jetzt wieder an Zugkraft gewinnt – zumal traditionelle Vorstellungen davon, woraus dunkle Materie besteht, weiterhin ins Leere laufen.
Mit einem Auge auf die wahre Identität der Dunklen Materie hat die Doktorandin Gabriele Franciolini von der Universität Genf, Schweiz, die Entstehung ursprünglicher Schwarzer Löcher nach dem Urknall genauer nachgebildet.
Das Ergebnis? „Da draußen könnte es hundertmal mehr ursprüngliche Schwarze Löcher geben“, sagt er. „Man kann die ganze Dunkle Materie durch primordiale Schwarze Löcher erklären.“ Das heißt, wenn sie im unteren Fenster, unterhalb der des Mondes, eine Masse haben, die sie weniger als einen Zehntel Millimeter im Durchmesser machen würde – etwa die Breite eines menschlichen Haares.
In diesem Fall wäre jedes ursprüngliche Schwarze Loch winzig, aber zusammen könnten sie genug Schwerkraft liefern, um zu verhindern, dass eine Galaxie auseinanderfliegt. Wenn Galaxien wie unsere Milchstraße randvoll mit klitzekleinen schwarzen Löchern sind, dann sollten sie überall sein. Amir Siraj, ein theoretischer Astrophysiker von der Harvard University, glaubt, dass sogar eine Chance besteht, dass einer in den Außenbezirken unseres Sonnensystems lauert.
Gibt es ein Schwarzes Loch in unserem Sonnensystem?
Seit etwa einem Jahrzehnt sind Astronomen verwirrt über die Umlaufbahnen kleiner Objekte jenseits von Pluto. Ihre Bahnen um die Sonne sollten ziemlich zufällig sein, aber sie scheinen organisiert zu sein. Es ist, als ob etwas sie auf ähnliche Bahnen lenkt. Aber was?
„Es ist höchstwahrscheinlich ein Planet“, sagt Siraj. Als Planet Neun bezeichnet, wäre es der erste neu entdeckte Planet, seit Neptun 1846 in das Register aufgenommen wurde (Pluto wurde bei seiner Entdeckung im Jahr 1930 als Planet bezeichnet, aber später im Jahr 2006 in den Status eines Zwergplaneten herabgestuft). Umfangreiche laufende Suchen haben jedoch keine sichtbaren Anzeichen einer solchen Welt gefunden.
„Wenn die direkte Suche weiterhin fehlschlägt, wird ein primordiales Schwarzes Loch eine Option“, sagt Siraj. Schließlich, wie Arthur Conan Doyles fiktiver Detektiv Sherlock Holmes berühmt sagte, muss das, was übrig bleibt, egal wie unwahrscheinlich, die Wahrheit sein, sobald Sie das Unmögliche beseitigt haben.
Wir wissen, wie viel Gravitation wir brauchen, um die gruppierten Umlaufbahnen der Objekte jenseits von Pluto zu berücksichtigen. Wenn diese Schwerkraft von einem ursprünglichen Schwarzen Loch bereitgestellt wird, dann hat sie nur den Durchmesser einer Grapefruit. Doch trotz seiner geringen Größe wäre es immer noch etwa 10 Mal schwerer als die Erde. Wenn dies wirklich der Fall ist, ist es nicht verwunderlich, dass die teleskopischen Schleppnetze des äußeren Sonnensystems bisher leer ausgegangen sind.
Siraj glaubt jedoch, dass es eine Möglichkeit gibt, wie wir es sehen könnten. Es ist eine Idee, die ihm während des ersten COVID-Lockdowns kam, als er in seinem Kinderzimmer im Haus seiner Eltern wohnte.
„Das Schwarze Loch sollte gelegentlich Akkretionseruptionen erzeugen“, erklärt er. Mit anderen Worten, wir sollten einen Blitz sehen, wenn das Grapefruit-große Objekt einen vorbeiziehenden Kometen verschlingt. Ein solches Ereignis würde einige Prozent der Energie der Atombomben freisetzen, die am Ende des Zweiten Weltkriegs auf Japan abgeworfen wurden.
Der Blitz mag intensiv sein, aber er geschieht weit entfernt in den Hinterwäldlern des Sonnensystems. Das macht das Licht ziemlich schwach, wenn es die Erde erreicht. Trotzdem soll ein neues Teleskop online gehen, das der Aufgabe gewachsen sein sollte. „Die Fackeln liegen direkt an der Nachweisgrenze des Vera-Rubin-Observatoriums“, sagt Siraj. „Es ist das perfekte Werkzeug, um ein ursprüngliches Schwarzes Loch im äußeren Sonnensystem auszuschließen.“ Das Observatorium sollte gegen Ende 2023 mit den richtigen Beobachtungen beginnen.
Sollte sich dort ein ursprüngliches Schwarzes Loch herausstellen, ist es wahrscheinlich in das Sonnensystem eingedrungen, weil die Sonne uns durch das Minenfeld der Milchstraße zieht, während sie das galaktische Zentrum umkreist. Aus irgendeinem Grund blieb dieser stecken, aber könnte ein ursprüngliches Schwarzes Loch weiter vordringen und in das innere Sonnensystem eindringen? Rahvar denkt sicherlich so. Er hat die Wahrscheinlichkeit berechnet, dass ein ursprüngliches Schwarzes Loch während der 4,54-Milliarden-jährigen Geschichte unseres Planeten die Erde durchquert.
„Die Wahrscheinlichkeit beträgt eine Passage pro Milliarde Jahre“, sagt er. Wenn er Recht hat, wurden wir viermal von einem urzeitlichen Schwarzen Loch getroffen. Rahvars Berechnung geht davon aus, dass 100 Prozent der Dunklen Materie aus primordialen Schwarzen Löchern mit sublunarer Masse bestehen. Auch wenn sie nur ein Viertel der Dunklen Materie ausmachen, ist die Erde doch schon einmal auf ein ursprüngliches Schwarzes Loch gestoßen und wird dies wahrscheinlich wieder tun.
Dass unser Planet von einem Schwarzen Loch getroffen wird, klingt apokalyptisch, ist es aber nicht unbedingt. Wir sind schließlich immer noch hier. Das schlimmste Ergebnis ist, dass sich das ursprüngliche Schwarze Loch im Erdkern niederlässt. „Dann beginnt das Schwarze Loch, die gesamte Materie der Erde zu verschlingen, wächst und nach einer endlichen Zeit wird die Erde in das Schwarze Loch einstürzen“, erklärt Rahvar.
Glücklicherweise zeigen Rahvars Berechnungen, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Schwarzes Loch in der Erde einzuschließen, nahezu null ist. Viel wahrscheinlicher ist, dass das Schwarze Loch direkt durch den Planeten hindurchgeht und auf der anderen Seite wieder herauskommt, um seine Reise durch den Weltraum fortzusetzen. Wenn es Sie jedoch passiert, sind die Ergebnisse nicht schön.
Wie können wir feststellen, ob wirklich ein Schwarzes Loch den Planeten passiert hat? „Während seines Durchgangs durch die Erde kann es das Innere des Planeten erwärmen“, sagt Rahvar. Dies könnte sich als Schmelzspuren in Felsen entlang der geraden Linie zeigen, die den Weg des Schwarzen Lochs darstellt. Rahvar warnt jedoch davor, dass es äußerst schwierig wäre, diese Spuren zu entdecken, da dies in der gesamten Erdgeschichte nur maximal vier Mal vorgekommen ist.
Wie Gravitationswellen ursprüngliche Schwarze Löcher finden konnten
Wie sonst könnten wir also beweisen, dass primordiale Schwarze Löcher wirklich existieren? Franciolini glaubt, dass die Antwort auf die gleiche Weise erfolgt, wie wir bewiesen haben, dass gewöhnliche Schwarze Löcher existieren:Gravitationswellen. Gravitationswellen, die 2015 zum ersten Mal beobachtet wurden, sind Wellen im Gewebe des Universums selbst, die durch Ereignisse darin verursacht werden.
Die Gravitationswellen, die wir bisher entdeckt haben, stammen von Kollisionen zwischen kompakten Objekten wie gewöhnlichen Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Das ist zumindest die landläufige Meinung. Franciolini ist sich da nicht so sicher. „Ein erheblicher Teil der Ereignisse könnte urzeitlichen Ursprungs sein“, sagt er.
Jetzt sprechen wir über primordiale Schwarze Löcher im oberen Massenfenster – solche mit einem Gewicht von mehreren zehn Sonnenmassen. Wir wissen aus einem Effekt namens „Gravitationslinseneffekt“, dass primordiale Schwarze Löcher in diesem Massenbereich nicht mehr als 10 Prozent der Dunklen Materie ausmachen können. Beim Gravitationslinseneffekt verstärkt ein Objekt im Vordergrund (z. B. ein schwarzes Loch) das Licht eines Objekts im Hintergrund (z. B. eines Sterns). Wenn es viele große urzeitliche Schwarze Löcher gäbe, würden wir mehr dieser Ereignisse sehen als wir – daher die Obergrenze von 10 %.
Laut Franciolini würden große primordiale Schwarze Löcher, wenn sie nur 0,1 Prozent der Dunklen Materie ausmachen, mit der gleichen Geschwindigkeit miteinander verschmelzen wie gewöhnliche Schwarze Löcher. Wenn wir letzteres sehen konnten, besteht eine gute Chance, dass wir auch schon ersteres gesehen haben. Mit anderen Worten, wir haben bereits zwei große urzeitliche Schwarze Löcher kollidieren sehen und fälschlicherweise angenommen, dass es stattdessen zwei gewöhnliche Schwarze Löcher waren. „Man muss die beiden Szenarien entwirren“, sagt Franciolini. „Das ist die Herausforderung.“
Ein kürzlich aufgetretenes Gravitationswellenereignis ist besonders faszinierend:GW190521. Es hat seinen Namen von der Tatsache, dass es am 21. Mai 2019 entdeckt und die Entdeckung anschließend im September 2020 bekannt gegeben wurde. Diese besondere Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher brachte ein einziges Schwarzes Loch hervor, das 140 Sonnenmassen auf die Waage bringt. Das ist groß genug, um es als mittleres Schwarzes Loch zu klassifizieren.
Laut Franciolini ist es schwieriger, die Existenz einer solchen Monsterverschmelzung mit gewöhnlichen Schwarzen Löchern zu erklären. Das öffnet stattdessen die Tür zur Möglichkeit eines Urursprungs. „Die Daten stützen die Idee, dass es primordiale Schwarze Löcher gibt“, sagt Franciolini, „aber wir brauchen mehr Daten und mehr Arbeit auf der theoretischen Seite.“
Wir müssen vielleicht nicht allzu lange auf diese Datenflut warten, da wir bereits unser Netzwerk von Gravitationswellendetektoren aufbauen. Der Gravitationswellendetektor Kamioka (KAGRA) in Japan wird nach einigen Rückschlägen aufgrund der COVID-Pandemie und des Hurrikans Ida bald mit LIGO und VIRGO zusammenarbeiten. Pläne für einen neuen LIGO-Detektor in Indien noch in diesem Jahrzehnt sind im Gange.
Mit vier rund um den Globus verteilten Detektoren werden Astronomen in der Lage sein, Gravitationswellenereignisse über den gesamten Himmel zu lokalisieren. Im Moment sind sie auf nur die Hälfte des Himmels beschränkt.
Die neuen Gravitationswellendetektoren sollen mehr Verschmelzungsereignisse von Schwarzen Löchern mit genaueren Daten liefern. Forscher wie Franciolini sind bestrebt, diese Daten nach Hinweisen auf urzeitliche Schwarze Löcher zu durchsuchen. Vielleicht werden wir dann wissen, ob diese uralten, unsichtbaren Relikte die Entwicklung des Universums stillschweigend gesteuert, Galaxien zusammengebunden und die Voraussetzungen dafür geschaffen haben, dass wir überhaupt Gravitationswellendetektoren bauen konnten.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 370 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können