Ein Universum aus schwarzen Löchern?

Titelbild: ESO

Die Natur der Dunklen Materie ist noch weitgehend unbekannt; mögliche Kandidaten reichen von mikroskopischen Elementarteilchen bis hin zu Schwarzen Löchern mit einem Vielfachen der Sonnenmasse. Forscher am MPA, den Carnegie Observatories und der University of Sussex haben kürzlich konkrete und zuverlässige Vorhersagen darüber getroffen, wie das Universum aussehen würde, wenn Dunkle Materie ausschließlich aus massereichen Schwarzen Löchern besteht: Sie führten die erste selbstkonsistente Studie durch, die die Strukturbildung in einem solchen Universum untersuchte und zeigte, wie viele dieser Schwarzen Löcher verschmelzen und dabei beobachtbare Gravitationswellen aussenden.

Astronomen und Kosmologen haben zahlreiche Hinweise auf die Existenz dunkler Materie gesammelt , einer Materiekomponente, die sich aus mehreren Materiehaufen zusammensetzt und bislang nur aufgrund ihrer Gravitationswirkung beobachtet werden konnte. Zahlreiche Kandidaten für dunkle Materie wurden vorgeschlagen, von mikroskopisch kleinen Elementarteilchen bis hin zu schwarzen Löchern mit Massen, die ein Vielfaches der Sonnenmasse betragen. Schwarze Löcher, aus denen die dunkle Materie besteht, müssten sich im frühen Universum gebildet haben und werden daher als primordiale schwarze Löcher (PBH) bezeichnet . Astrophysikalisch entstandene schwarze Löcher (z. B. durch Sternkollaps) könnten die Hinweise auf dunkle Materie, die in Beobachtungen des frühen Universums, wie etwa der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, beobachtet wurden, nicht erklären und wären nicht häufig genug. Eine Möglichkeit ist, dass die PBHs gegen Ende der Inflationsepoche im frühen Universum entstanden sind.

Eine Vielzahl von Beobachtungen, darunter Gamma- und Röntgenhintergründe, Gravitationslinseneffekte, die großräumige Struktur des Universums und der kosmische Mikrowellenhintergrund, haben die zulässigen PBH-Massen unterschiedlich begrenzt. Dennoch könnte zumindest ein Teil der Dunklen Materie immer noch aus PBHs in mehreren potenziellen „Massenfenstern“ bestehen.

Forscher am MPA, den Carnegie Observatories und der University of Sussex haben kürzlich die erste selbstkonsistente Studie zur Strukturbildung in einem Universum mit Dunkler Materie aus primordialen Schwarzen Löchern (mit einer Masse von etwa 16 Sonnenmassen) durchgeführt. Dazu untersuchten sie die Entwicklung einer Region im Universum mit leicht überdurchschnittlicher Dichte. Sie untersuchten sorgfältig die Entwicklung im gesamten primordialen Universum und setzten die Berechnung dann mit dem hochmodernen N-Körper-Code BIFROST fort . BIFROST berechnet alle Gravitationskräfte zwischen den einzelnen Schwarzen Löchern in der Simulation ohne kleinskalige Auflösungsgrenze. Es berücksichtigt auch relativistische Effekte, die für die Libration und Präzession binärer PBH-Umlaufbahnen verantwortlich sind, was an Einsteins berühmte Erklärung für die Periapsis-Vorverlagerung der Merkurbahn erinnert. Am wichtigsten ist, dass auch Strahlungsreaktionseffekte von Gravitationswellen modelliert werden, wodurch die Verschmelzung von PBH-Doppelsternen in den Simulationen ermöglicht wird. Diese Pilotstudie ging davon aus, dass 100 % der Dunklen Materie aus PBHs besteht. Gemischte Modelle mit verschiedenen Dunkle-Materie-Komponenten, einschließlich kollisionsbedingter PBHs, sind numerisch weitaus schwieriger zu simulieren, könnten aber in den nächsten Jahren machbar werden.

Die rechte Spalte von Video 1 zeigt die Entwicklung der Dunkle-Materie-Dichte in diesem Szenario. Zum Vergleich führte das Team Simulationen derselben Region in einem Szenario durch, in dem Dunkle Materie aus mikroskopischen Partikeln besteht (linke Spalte). Die Verteilung der partikulären Dunklen Materie ist deutlich gleichmäßiger, während die diskreten massiven Körper in der PBH-Simulation sichtbar sind. Die mittlere Spalte zeigt das Ergebnis einer approximativen PBH-Simulation, bei der kleinräumige Gravitationswechselwirkungen vernachlässigt werden; die deutlich sichtbaren Unterschiede zur rechten Spalte verdeutlichen die Bedeutung eines präzisen Codes wie BIFROST für diese Studie.

Die Dynamik des Systems Schwarzer Löcher ist hochkomplex. Nahe Begegnungen mehrerer Schwarzer Löcher können zu Schleudereffekten führen, bei denen ein Schwarzes Loch mit hoher Geschwindigkeit „angestoßen“ wird (die Energie für diesen Stoß stammt aus den tiefen Potenzialtöpfen der Schwarzen Löcher). Dies wird in Video 2 veranschaulicht, das die Bewegungen einzelner Schwarzer Löcher in der Simulation über einen kurzen Zeitraum zeigt (im Wesentlichen eine dynamische, vergrößerte Version von Video 1). Die genaue Erfassung dieser Dynamik und gleichzeitig die Möglichkeit, das System über die Geschichte des Universums (oder zumindest einen wesentlichen Teil davon) zu verfolgen, ist eine große Herausforderung, und
diese Studie stellt die erste derartige Berechnung dar, die jemals durchgeführt wurde.

Angesichts der dramatischen Unterschiede zwischen den Szenarien des primordialen Schwarzen Lochs und der Teilchen-Dunkle-Materie in Video 1 würde man erwarten, dass Astronomen leicht erkennen könnten, welches Szenario dem realen Universum entspricht. Allerdings können wir weder Teilchen-Dunkle-Materie noch Schwarze Löcher direkt beobachten; zudem sind die hier gezeigten Skalen sehr klein und schwer zu untersuchen. Daher ist ein wenig Kreativität erforderlich, um Beobachtungsmethoden zur Untersuchung primordialer Schwarzer Löcher zu entwickeln. Beispielsweise kann die „körnige“ Massenverteilung im Fall des primordialen Schwarzen Lochs die Verteilung der Sterne in Galaxien beeinflussen („erhitzen“).

Eine der klarsten und wahrscheinlich spannendsten Erkenntnisse zu diesem Szenario sind jedoch die Gravitationswellen, die von der Population Schwarzer Löcher emittiert werden, insbesondere wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, was passiert, wenn sie sich einander ausreichend nahe kommen. Dies ist Gegenstand laufender Folgearbeiten des Teams. Ein erstes Ergebnis wurde jedoch bereits in der hier berichteten Studie veröffentlicht: die Gesamtintensität aller durch Verschmelzungen erzeugten Gravitationswellen als Funktion der Zeit (Abb. 3). Dieses Signal ist bereits um mehrere Größenordnungen stärker als das von den LIGO/Virgo/Kagra-Experimenten im heutigen Universum beobachtete und dürfte die Existenz primordialer Schwarzer Löcher stark einschränken.

Darüber hinaus sagen die Simulationen voraus, dass Verschmelzungen primordialer Schwarzer Löcher bereits im sehr jungen Universum (Rotverschiebungen 𝑧 >100) stattfinden sollten, also zu einem Zeitpunkt, bevor sich überhaupt Sterne gebildet haben. Eine solche Verschmelzung ließe sich nicht durch astrophysikalische Schwarze Löcher erklären und wäre ein eindeutiges Zeichen für primordiale Schwarze Löcher. Zukünftige Experimente wie das Einstein-Teleskop werden solche Verschmelzungen tatsächlich nachweisen können, sofern primordiale Schwarze Löcher im Sonnenmassenbereich existieren.