Wenn es, wie einige Forscher vermuten, mikroskopisch kleine Schwarze Löcher gibt, die einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall entstanden sind, dann könnte mindestens eines pro Jahrzehnt durch das Sonnensystem fliegen und winzige Gravitationsverzerrungen erzeugen, die Wissenschaftler erkennen können, so eine neue Studie.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Astronomen, wenn sie die Existenz solcher Gravitationsstörungen entdecken und bestätigen können, möglicherweise das Geheimnis hinter der Natur der Dunklen Materie lösen können, dem unsichtbaren Material, von dem viele Forscher vermuten, dass es etwa fünf Sechstel der gesamten Materie in der Welt ausmacht Kosmos.
Viele Forscher vermuten, dass dunkle Materie aus unbekannten Teilchen bestehen könnte, aber bisher hat kein Experiment neue Teilchen entdeckt, bei denen es sich um dunkle Materie handeln könnte. Eine Alternative, die Wissenschaftler zur Erklärung der Dunklen Materie erforschen, sind daher sogenannte ursprüngliche Schwarze Löcher, die es seit Anbeginn der Zeit gibt.
Frühere Untersuchungen legen nahe, dass etwa 86 % der Materie im Universum aus einer im Wesentlichen unsichtbaren Substanz namens Dunkler Materie bestehen. Wissenschaftler schließen aus der Gravitationswirkung auf Alltagsmaterie und Licht auf die Existenz dunkler Materie, es ist jedoch derzeit noch ungewiss, woraus sie bestehen könnte.
Schwarze Löcher verdanken ihren Namen ihrer enormen Anziehungskraft, die so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Wenn ein Schwarzes Loch seine Existenz nicht preisgibt – zum Beispiel indem es einen Stern auseinanderreißt – bleibt es möglicherweise unentdeckt vor der Schwärze des Weltraums.
Im Laufe der Jahrzehnte haben Astronomen viele Schwarze Löcher entdeckt, von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse, die typischerweise etwa das Fünf- bis Zehnfache der Sonnenmasse haben, bis hin zu supermassereichen Schwarzen Löchern mit einer Größe von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Im Gegensatz dazu untersuchte die neue Studie urzeitliche Schwarze Löcher, von denen frühere Untersuchungen vermuten ließen, dass sie möglicherweise nur etwa die Masse eines typischen Asteroiden haben – also etwa 110 bis 110 Millionen Milliarden Tonnen (100 bis 100 Millionen Tonnen).
„Die Schwarzen Löcher, die wir in unserer Arbeit betrachten, sind mindestens 10 Milliarden Mal leichter als die Sonne und kaum größer als ein Wasserstoffatom“, sagte die Mitautorin der Studie, Sarah Geller, theoretische Physikerin an der University of California in Santa Cruz , sagte Space.com.
Schwarze Löcher entstehen, wenn ein Objekt so dicht ist, dass es aufgrund seiner eigenen Schwerkraft zusammenbricht. Frühere Arbeiten deuten darauf hin, dass kurz nach dem Urknall, bevor sich das Universum stark vergrößerte, zufällige Schwankungen in der Dichte der Materie im neugeborenen Kosmos dazu führten, dass einige Klumpen dicht genug wurden, um Schwarze Löcher zu bilden.
Frühere Forschungen deuteten darauf hin, dass urzeitliche Schwarze Löcher, die bis heute überlebt haben, den größten Teil oder die gesamte Dunkle Materie ausmachen könnten. Basierend auf dieser Arbeit untersuchte die neue Studie, wie oft urzeitliche Schwarze Löcher durch das Sonnensystem fliegen könnten und ob sie möglicherweise Effekte hervorrufen, die Wissenschaftler an sichtbaren Objekten erkennen könnten.
„Wenn es da draußen viele Schwarze Löcher gibt, müssen einige von ihnen sicherlich ab und zu durch unseren Hinterhof ziehen“, sagte Geller.
Ursprünglich dachten die Forscher darüber nach, was passieren könnte, wenn ein Schwarzes Loch die Erdkruste durchdringt, unsere Atmosphäre durchdringt oder einen Krater auf dem Mond hinterlässt“, sagte Geller. „Wir haben uns sogar gefragt, was passieren würde, wenn eines dieser winzigen Schwarzen Löcher einen Menschen treffen würde.“
„Jede dieser Ideen stieß jedoch auf dasselbe Problem“, erklärte Geller. „Ein Mensch, der Mond oder sogar die Erde sind ein sehr kleines Ziel in den Weiten des Weltraums, und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schwarzes Loch sie jemals direkt trifft, ist gering.“
„Was wir stattdessen brauchten, war ein System, das groß genug war, damit Schwarze Löcher regelmäßig vorbeiziehen konnten, das aber genau genug dimensioniert war, um einen gewissen Effekt erkennen zu können“, sagte Geller. „Da begannen wir, über die sehr genau vermessenen Umlaufbahnen von Objekten im Sonnensystem nachzudenken.“ Im Prinzip könnte die Anziehungskraft eines ursprünglichen Schwarzen Lochs „Schwingungen in den Umlaufbahnen von Objekten im Sonnensystem hervorrufen, die groß genug sind, dass wir sie messen können“.
Die Wissenschaftler konzentrierten sich schließlich auf ursprüngliche Schwarze Löcher, die in der Nähe der inneren Planeten des Sonnensystems fliegen – Merkur, Venus, Erde und Mars. Sie fanden heraus, dass, wenn es urzeitliche Schwarze Löcher gibt, sie möglicherweise in ausreichender Menge vorhanden sind, sodass mindestens einmal pro Jahrzehnt eines an den inneren Welten vorbeifliegen kann. Sie fügten hinzu, dass möglicherweise bereits mehrere Vorbeiflüge stattgefunden haben, seit Technologien zur Erkennung solcher Störungen online sind.
Geller warnte: „Wir stellen keine der folgenden Behauptungen auf – dass urzeitliche Schwarze Löcher definitiv existieren, dass sie den größten Teil oder die gesamte Dunkle Materie ausmachen oder dass sie definitiv hier in unserem Sonnensystem sind.“ Stattdessen sagen sie, wenn urzeitliche Schwarze Löcher existieren und den größten Teil der Dunklen Materie ausmachen, „muss man alle ein bis zehn Jahre durch das innere Sonnensystem reisen.“
Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass ihre Ergebnisse auf relativ einfachen Computersimulationen basieren, die nicht über die nötige Präzision verfügen, um reale Daten über die Umlaufbahnen des inneren Sonnensystems zu analysieren.
„Um endgültige Aussagen zu treffen, müssen wir mit Kollegen zusammenarbeiten, die sich auf die Modellierung des Sonnensystems mit viel ausgefeilteren Rechenmethoden spezialisiert haben“, sagte der Co-Autor der Studie, Benjamin Lehmann, ein theoretischer Physiker am MIT, gegenüber Space.com. Er fügte hinzu, dass sie auch genau herausfinden müssen, was ein echtes Signal eines ursprünglichen Schwarzen Lochs sein könnte und was einfach in den Fehlerbereich fallen könnte, der von jeder Messung erwartet wird.
Die Wissenschaftler diskutieren nun über die Möglichkeit einer Zusammenarbeit mit der Sonnensystemsimulationsgruppe am Pariser Observatorium, um vorhandene Orbitaldaten zu analysieren. „Sie gehören zu den führenden Experten für die ausgefeilten Simulationsmethoden, die erforderlich sind, um diese Analyse Wirklichkeit werden zu lassen“, sagte Lehmann. „Sobald wir ein vollständiges Modell entwickelt haben, mit dem reale Daten durchsucht werden können, müssen wir untersuchen, welche Folgebeobachtungen für jedes Signal, das wir möglicherweise registrieren, am besten geeignet sind.“
Dieser Ansatz, anhand ihrer Gravitationseffekte nach ursprünglichen Schwarzen Löchern zu suchen, sei „nicht vollständig ausreichend, um zwischen einem ursprünglichen Schwarzen Loch und einem anderen ungewöhnlichen Objekt ähnlicher Masse zu unterscheiden“, warnte Geller. Sie bemerkte, wenn diese Strategie tatsächlich ein potenzielles urzeitliches Schwarzes Loch entdeckt, „können wir Folgebeobachtungen auslösen, um andere Möglichkeiten auszuschließen.“ Astronomen sind tatsächlich erstaunlich gut darin, sogar viel leichtere Objekte in unserem Sonnensystem zu finden, wie zum Beispiel kleine Asteroiden. wohingegen die direkte Beobachtung eines kleinen Schwarzen Lochs mit einem Teleskop höchstwahrscheinlich überhaupt nichts zeigen würde.“
Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse am 17. September in der Zeitschrift Physical Review D.
