Besteht dunkle Materie aus Schwarzen Löchern?

Verschiedene astronomische Beobachtungen deuten darauf hin, dass die gewöhnliche Angelegenheit, das wir sehen oder berühren können, macht nur 5 Prozent der gesamten Massen- und Energiebilanz des Universums aus. Aber in der Milchstraße kommen auf jedes Kilogramm gewöhnlicher Materie in den Sternen 15 Kilogramm Dunkle Materiedas kein Licht aussendet und nur durch seine Anziehungskraft interagiert.

„Die Natur der Dunklen Materie bleibt ein Rätsel. Die meisten Wissenschaftler gehen davon aus, dass es aus unbekannten Elementarteilchen besteht“, sagt er Przemek Mróz vom Astronomischen Observatorium der Universität Warschau, Erstautor von zwei Artikeln, veröffentlicht in Natur Und Ergänzungsreihe zur Astrophysikalischen Zeitschrift die eine Antwort auf die im Titel dieser Nachricht gestellte Frage bieten. „Leider haben trotz jahrzehntelanger Bemühungen keine Experimente – auch nicht die mit dem Large Hadron Collider – neue Teilchen gefunden, die für die Dunkle Materie verantwortlich sein könnten.“

Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung eines Schwarzen-Loch-Paares im Jahr 2015 erzeugt wurden, haben die Ligo- und Virgo-Experimente mehr als 90 Ereignisse dieser Art entdeckt. Astronomen haben festgestellt, dass Schwarze Löcher typischerweise auf diese Weise entdeckt werden viel massiver (20-100 Sonnenmassen) als die bisher in der Milchstraße bekannten (5-20 Sonnenmassen). „Zu erklären, warum diese beiden Populationen von Schwarzen Löchern so unterschiedlich sind, ist eines der größten Rätsel der modernen Astronomie“, sagt Mróz.

Eine mögliche Erklärung deutet darauf hin, dass die Ligo- und Virgo-Detektoren eine Population ursprünglicher Schwarzer Löcher entdeckt haben, die sich möglicherweise schon früh im Universum gebildet haben. Ihre Existenz wurde erstmals vor über 50 Jahren vom berühmten britischen theoretischen Physiker Stephen Hawking und unabhängig davon vom sowjetischen Physiker Jakow Seldowitsch vorgeschlagen. „Wir wissen, dass das frühe Universum nicht ideal homogen war: Kleine Dichteschwankungen führten zur Entstehung der heutigen Galaxien und Galaxienhaufen“, erklärt Mróz. „Ähnliche Dichteschwankungen können, wenn sie einen kritischen Dichtekontrast überschreiten, zusammenbrechen und Schwarze Löcher bilden.“

Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen haben immer mehr Wissenschaftler die Hypothese aufgestellt, dass diese ursprünglichen Schwarzen Löcher einen erheblichen Teil, wenn nicht sogar die gesamte Dunkle Materie ausmachen könnten. Diese Hypothese kann durch astronomische Beobachtungen überprüft werden. In der Milchstraße gibt es reichlich dunkle Materie. Wenn es aus Schwarzen Löchern bestehen würde, müssten wir sie in unserer kosmischen Nachbarschaft entdecken können. Ist dies möglich, wenn Schwarze Löcher kein nachweisbares Licht aussenden? Absolut ja.

Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie kann Licht durch das Gravitationsfeld massiver Objekte gebogen und gebeugt werden, ein Phänomen, das als „Licht“ bezeichnet wird Mikrolinse Gravitation. “Der Mikrolinse entsteht, wenn drei Objekte – ein Beobachter auf der Erde, eine Lichtquelle und eine „Linse“ – sich voraussichtlich ideal im Weltraum ausrichten“, erklärt er Andrzej Udalski, Hauptermittler von Ogle (Optical Gravitational Lensing Experiment). «Während einer Veranstaltung von Mikrolinse„Das Licht der Quelle kann gebogen und verstärkt werden und wir beobachten einen vorübergehenden Anstieg der Helligkeit der Quelle.“

Die Dauer dieses Helligkeitsanstiegs hängt von der Masse des Linsenobjekts ab: je größer die Masse, desto länger dauert das Ereignis. Die Ereignisse von Mikrolinse Die Lebensdauer von Objekten mit Sonnenmasse beträgt im Allgemeinen einige Wochen, während solche von Schwarzen Löchern, die hundertmal so massereich wie die Sonne sind, einige Jahre bestehen bleiben.

Die Idee, das zu nutzen Mikrolinse Die Erforschung der Dunklen Materie mithilfe der Schwerkraft ist nicht neu. Es wurde erstmals in den 1980er Jahren vom polnischen Astrophysiker Bohdan Paczyński vorgeschlagen. Seine Idee inspirierte den Start von Drei wichtige Experimente: der polnische Ogle, der amerikanische Macho und der französische Eros. Erste Ergebnisse dieser Experimente zeigten, dass Schwarze Löcher, die weniger massereich als die Masse der Sonne sind, weniger als 10 Prozent der Dunklen Materie ausmachen können. Diese Beobachtungen waren jedoch nicht empfindlich gegenüber den Ereignissen von Mikrolinse auf extrem langen Zeitskalen und waren daher nicht empfindlich gegenüber massiven Schwarzen Löchern, ähnlich denen, die kürzlich von Gravitationswellendetektoren entdeckt wurden.

Im neuen Artikel, veröffentlicht im Magazin Ergänzungsreihe zur Astrophysikalischen ZeitschriftOgle-Astronomen präsentieren die Ergebnisse einer Die photometrische Überwachung dauerte etwa 20 Jahre 80 Millionen Sterne Zugehörigkeit zu einer nahegelegenen Galaxie, der Großen Magellanschen Wolke, und die Suche nach Ereignissen von Mikrolinse Gravitation. Die analysierten Daten wurden während der dritten und vierten Phase des Ogle-Projekts von 2001 bis 2020 gesammelt. „Dieser Datensatz liefert die längsten, umfassendsten und genauesten photometrischen Beobachtungen der Sterne der Großen Magellanschen Wolke in der Geschichte der modernen Astronomie.“ sagt Udalski.

Der zweite Artikel, veröffentlicht am Naturveranschaulicht die astrophysikalische Konsequenzen der Entdeckungen. „Wenn die gesamte dunkle Materie der Milchstraße aus Schwarzen Löchern mit 10 Sonnenmassen bestünde, hätten wir 258 dunkle Ereignisse entdecken müssen.“ Mikrolinse», erklärt Mróz. „Für Schwarze Löcher mit 100 Sonnenmassen haben wir 99 Ereignisse erwartet Mikrolinse. Für Schwarze Löcher mit 1000 Sonnenmassen sind es 27 Ereignisse Mikrolinse».

Im Gegenteil, fanden Ogles Astronomen heraus nur 13 Veranstaltungen Von Mikrolinse. Ihre detaillierte Analyse zeigt, dass alle diese Ereignisse durch bekannte Sternpopulationen in der Milchstraße oder der Großen Magellanschen Wolke erklärt werden können, nicht durch Schwarze Löcher. „Das deutet darauf hin, dass massereiche Schwarze Löcher höchstens ein paar Prozent der Dunklen Materie ausmachen können“, sagt Mróz.

Detaillierte Berechnungen zeigen, dass Schwarze Löcher mit 10 Sonnenmassen höchstens 1,2 Prozent der Dunklen Materie ausmachen können, Schwarze Löcher mit 100 Sonnenmassen 3 Prozent der Dunklen Materie und Schwarze Löcher mit 1000 Sonnenmassen 11 Prozent der Dunklen Materie.

„Unsere Beobachtungen deuten darauf hin Ursprüngliche Schwarze Löcher können keinen nennenswerten Anteil der Dunklen Materie ausmachen und gleichzeitig die von Ligo und Virgo gemessenen Verschmelzungsraten Schwarzer Löcher erklären“, schließt Udalski.

Daher, Für die von Ligo und Virgo entdeckten massiven Schwarzen Löcher sind weitere Erklärungen erforderlich. Einer Hypothese zufolge entstanden sie als Produkt der Entwicklung massereicher Sterne mit geringer Metallizität. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verschmelzung weniger massereicher Objekte in dichten Sternumgebungen, beispielsweise Kugelsternhaufen.

Mehr wissen:

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• Weiter lesen Natur der Artikel „Keine massiven Schwarzen Löcher im Halo der Milchstraße“ von Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona und Milena Ratajczak