Ursprüngliche Löcher, die unter den exotischen Bedingungen des Urknalls entstanden sind, könnten zu ihrer eigenen Materie- und Strahlungsquelle geworden sein.
Die Standardgeschichte des frühen Universums geht so. Als unser Kosmos unglaublich jung war, durchlief er eine Phase unglaublich schneller Expansion, die als Inflation bekannt ist. Dann verschwand die Inflation und überschwemmte das Universum mit Teilchen und Strahlung im heißen Urknall. Dann dehnte sich das Universum aus und kühlte ab, und dabei nahm die Dichte dieser Materie und Strahlung ab. Schließlich hat sich die Sache mit Sternen, Galaxien und Sternhaufen zusammengetan.
Aber neue Forschungsergebnisse, die jetzt auf der veröffentlicht wurden arXiv Preprint-Server, schlägt vor, dass dieser einfachen Geschichte möglicherweise eine Schlüsselzutat fehlt: primordiale Schwarze Löcher. Derzeit kennen wir nur einen garantierten Weg, Schwarze Löcher zu erzeugen. Das ist durch den Tod massereicher Sterne. Wenn sie am Ende ihres Lebens in sich zusammenfallen, erreichen sie eine ausreichend hohe Dichte, um jede andere Kraft zu überwältigen und die Bildung eines Schwarzen Lochs auszulösen.
Aber das frühe Universum war vielleicht exotisch genug, um auf seine Weise Schwarze Löcher zu erschaffen. Als die Inflation endete und sich das Universum abzukühlen begann, war dies kein glatter und sanfter Prozess. Stattdessen war es unglaublich heftig, mit massiven Energie- und Massenverschiebungen von Ort zu Ort. Es ist möglich, dass Taschen des Universums spontan eine ausreichend hohe Dichte erreicht haben, um Schwarze Löcher direkt zu bilden, ohne zuerst die Entstehung von Sternen durchlaufen zu müssen. Dies sind die sogenannten primordialen Schwarzen Löcher.
Kosmologische Beobachtungen setzten der Anzahl ursprünglicher Schwarzer Löcher, die das frühe Universum bewohnen könnten, bereits strenge Grenzen. Aber es gibt immer noch Raum für sie zu existieren. Und ein Forscherteam hat ein Papier zusammengestellt, das eine unerwartete Folge der Entstehung dieser ursprünglichen Schwarzen Löcher untersucht.
Wir wissen aus der Arbeit von Stephen Hawking, dass Schwarze Löcher nicht vollständig schwarz sind. Sie leuchten tatsächlich ein wenig durch einen exotischen Quantenprozess, der als Hawking-Strahlung bekannt ist. Für Schwarze Löcher normaler Größe ist dies ein sehr ineffizienter Prozess. Ein typisches Schwarzes Loch sendet etwa jedes Jahr nur ein Strahlungsteilchen aus. Aber kleinere Schwarze Löcher geben viel mehr Strahlung ab.
Wenn die ursprünglichen Schwarzen Löcher klein genug wären, würden sie vollständig verdampfen, während das Universum noch in den Kinderschuhen steckte, und keine Spuren ihrer Existenz hinterlassen. Aber die Forscher fanden heraus, dass dies zu einer merkwürdigen Situation führt. Als diese ursprünglichen Schwarzen Löcher verdampften, setzten sie ihre eigenen Strahlungs- und Materiefluten frei.
Wenn trotz der Expansion des Universums genügend ursprüngliche Schwarze Löcher verdampfen, könnte die Dichte von Materie und Strahlung konstant bleiben. Dies würde zu einem erweiterten Urknall-Szenario auf der Basis von Schwarzen Löchern führen.
Schließlich würden alle ursprünglichen Schwarzen Löcher verschwinden und der Rest der kosmologischen Geschichte würde ohne sie weitergehen. Aber sie würden ihre Spuren hinterlassen. Die Veränderungen in Materie und Strahlungsdichte können potenziell lang anhaltende Auswirkungen haben, die wir bis heute nachweisen können. Und die Verdunstung ursprünglicher Schwarzer Löcher selbst löst die Bildung von Gravitationswellen aus, die möglicherweise noch heute anhalten.
Wir werden vielleicht nie direkte Beweise für ursprüngliche Schwarze Löcher finden, aber die Forscher haben herausgefunden, dass wir ihre subtilen Fingerabdrücke im ganzen Universum finden können.
Mehr Informationen:
Keith R. Dienes et al., Primordial Black Holes Place the Universe in Stasis, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2212.01369