Ursprüngliche Schwarze Löcher: Die unsichtbaren Überreste des jungen Universums

Das Uruniversum

Im frühen Universum (kurz nach dem Urknall) war die Energie- und Materiedichte enorm. Mancherorts könnten sie „überfallen“. Diese lokalen Schwankungen könnten diese Materie/Energie noch weiter konzentrieren. Als diese Dichte eine kritische Schwelle überschritt, siegte die Schwerkraft: Die Region kollabierte sofort und bildete ein urzeitliches Schwarzes Loch.

Mit anderen Worten, dieUrschwarze Löcher(PBH – Primordial Black Holes) könnten sich in den ersten Sekundenbruchteilen des Universums während extremer Dichteschwankungen gebildet haben. Im Gegensatz zu stellaren Schwarzen Löchern, die beim Kollaps massereicher Sterne entstehen, haben diese ihren Ursprung in den Anfangsbedingungen des Kosmos. Wenn eine Region eine lokale Überdichte erreichen würde, so dass ihr Schwarzschildradius \((R_s = 2GM/c^2)\) mit ihrem Kausalhorizont vergleichbar wäre, würde sich sofort ein Schwarzes Loch bilden.

Charakteristische Massen und Größenordnungen ursprünglicher Schwarzer Löcher

Die möglichen Massen ursprünglicher Schwarzer Löcher decken ein immenses Spektrum ab, das von der subatomaren Skala \((10^{-5}\,\text{g})\) bis zu mehreren tausend Sonnenmassen reicht. Die Masse wird durch den Zeitpunkt der Entstehung bestimmt: Ein Schwarzes Loch, das \(10^{-23}\) Sekunden nach dem Urknall entsteht, hätte eine Masse, die mit der eines Berges vergleichbar wäre, während ein PBH, das eine Sekunde später gebildet wird, \(10^5 M_{\odot}\) erreichen könnte.

Ursprüngliche Schwarze Löcher: ein neuer Weg, um die Geheimnisse der Dunklen Materie zu entschlüsseln?

Wir wissen immer noch nicht, was dunkle Materie ist, aber wir wissen, dass sie etwa 85 % der Materie im Universum ausmacht. Ursprüngliche Schwarze Löcher (PBH) sind eine Hypothese zur Erklärung eines Teils (oder der Gesamtheit) dieser dunklen Materie, da sie sehr zahlreich, unsichtbar (außer durch ihre Schwerkraft) und sehr früh im Kosmos entstanden wären. Es könnte sich um eine Form der Dunklen Materie handeln, allerdings nur in einem sehr engen Massenbereich, da die Beobachtungen die meisten anderen Szenarien ausschließen.

Moderne Forschung (Gravitationsmikrolinsen, Gammastrahlung aus der Hawking-Verdampfung, Anisotropien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds) ermöglicht es, den Massenbereich von PBHs einzuschränken, die wahrscheinlich einen erheblichen Anteil der Dunklen Materie ausmachen. PBHs kleiner Massen (\(<10^{15}\,\text{g}\)) sollten vollständig verdampft sein, während PBHs mittlerer Massen durch das Fehlen von Gravitationslinsenereignissen stark eingeschränkt sind.

Indirekte Signaturen ursprünglicher Schwarzer Löcher

• Gravitationsmikrolinse:Gravitationsmikrolinsen werden verwendet, um zu erkennen, ob viele kompakte Objekte (wie PBHs) vor Sternen vorbeiziehen. Da jedoch nicht genügend davon beobachtet werden, begrenzt dies den möglichen Beitrag von PBHs bestimmter Massen zur Dunklen Materie.
• Gammastrahlung:Die Gammastrahlung, die von der Verdampfung kleiner PBHs über den Hawking-Mechanismus erwartet wird, aber nicht nachgewiesen wurde, schließt aus, dass PBHs geringer Masse dunkle Materie bilden.
• Auswirkungen auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB):Die Anisotropien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, zu viele massive PBHs, würden die Entwicklung des frühen Universums stören, was wir auch nicht sehen.

PBHs werden berücksichtigthypothetisch und nicht sehr einvernehmlich, und ihre Forschung basiert auf indirekten Signaturen.

Aktueller Wissensstand

Bis heute gibt es in erster Linie primordiale Schwarze Löcher (PBHs).Theoretische Objekte. Obwohl ihre Existenz aus physikalischer und kosmologischer Sicht möglich ist, gibt es noch keinen direkten Beweis und ihre Rolle in der Dunklen Materie wird heftig diskutiert. Modelle sagen unterschiedliche Massen und Häufigkeiten voraus, aber die wissenschaftliche Gemeinschaft ist sich über ihre tatsächliche Bedeutung nicht einig.

Beobachtungsbeschränkungen

Quellen:Sasaki et al., 2016 ; Niikura et al., 2019.