Als das Universum durch den Urknall entstand, wurde seine gesamte Materie auf einen winzigen Bereich komprimiert. Kosmologen gehen davon aus, dass die subatomare Materie in einigen Regionen möglicherweise so dicht gepackt war, dass die Materie in urzeitliche Schwarze Löcher kollabierte. Wenn diese ursprünglichen Schwarzen Löcher existieren, sind sie klein und könnten sich inmitten der Bevölkerung frei schwebender Planeten verstecken.
Schwarze Löcher sind die verwirrendsten Objekte der Natur. Einsteins Relativitätstheorie sagte ihre Existenz voraus, er widersprach jedoch der Annahme, dass sich Schwarze Löcher tatsächlich bilden könnten. Als andere Wissenschaftler mit den Gleichungen arbeiteten, zeigten sie schließlich, dass Schwarze Löcher existieren könnten.
Jetzt wissen wir, dass dies der Fall ist, und wir wissen, dass sie so dicht sind, dass sie die Raumzeit verzerren und alles auf sich zuziehen. Selbst Licht kann nicht entkommen.
Forscher haben versucht, den Stammbaum der Schwarzen Löcher aufzudecken. Sie wissen, dass einige massereiche Sterne gegen Ende ihres Lebens in sich zusammenfallen und Schwarze Löcher mit Sternmasse bilden werden. Sie wissen, dass supermassereiche Schwarze Löcher (SMBHs) im Herzen großer Galaxien wie der Milchstraße existieren. Es gibt auch immer mehr Hinweise auf Schwarze Löcher mittlerer Masse (IMBHs), die zwischen den Schwarzen Löchern kleinerer Sternmasse und den gigantischen SMBHs liegen.
Aber was ist mit primordialen Schwarzen Löchern (PBHs)? Wenn sie existieren, entstanden sie lange bevor der erste Stern zum Leben erwachte. Der Theorie zufolge können sie jede beliebige Größe haben und könnten bei der Entstehung von Galaxien eine Rolle gespielt haben. Im Kampf um die Frage, wie Schwarze Löcher so massiv werden, könnten PBHs eine wichtige Lücke füllen. Es gibt auch verlockende Hinweise darauf, dass es sich bei ihrer Existenz um Bestandteile der Dunklen Materie handeln könnte.
Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA PBHs finden könnte. Sie könnten sich inmitten einer mysteriösen Population von Objekten geringer Masse verstecken. Bei den Objekten könnte es sich um frei schwebende Planeten (FFPs) handeln, auch Schurkenplaneten genannt, oder um PBHs, und das kommende Weltraumteleskop könnte in der Lage sein, sie zu finden.
Das Papier, „Schurkenwelten treffen auf die dunkle Seite: Entdeckung urzeitlicher Schwarzer Löcher mit terrestrischer Masse mit dem Nancy Grace Roman Space Telescope,“ wurde auf dem Preprint-Server veröffentlicht arXiv. Der Hauptautor ist William DeRocco vom Fachbereich Physik der UC Santa Cruz.
Das römische Weltraumteleskop Nancy Grace wird ein leistungsstarkes Infrarot-Teleskop sein, wenn es in einigen Jahren auf den Markt kommt. Es hat einige große astrophysikalische Mahlzeiten auf seinem Beobachtungsmenü, wie die Messung der Dunklen Energie, der Relativitätstheorie und der Krümmung der Raumzeit. Es wird auch nach massearmen Objekten suchen, die so klein sind wie der Mars und an keinem Stern verankert sind. Auf diese Weise könnte es Licht auf die ursprünglichen Schwarzen Löcher werfen.
Um nach diesen massearmen Objekten zu suchen und festzustellen, ob es sich um FFPs oder PBHs handelt, benötigt das römische Weltraumteleskop Hilfe. Es wird Gravitations-Mikrolinsen nutzen, um den Himmel nach diesen schwer fassbaren Objekten abzusuchen. Sie können jede Größe haben, von der Kleinheit eines einzelnen subatomaren Teilchens bis zur Größe eines kleinen Planeten.
„Gravitationsmikrolinsen sind eine der stärksten Beobachtungstechniken zur Beobachtung nichtleuchtender astrophysikalischer Körper“, schreiben die Autoren in ihrer Arbeit. „Bestehende Mikrolinsenbeobachtungen liefern verlockende Beweise für eine Population von Objekten geringer Masse, deren Ursprung unbekannt ist.“
Die Frage ist: Sind diese rätselhaften Objekte Schurkenplaneten? Oder sind es PBHs?
Das Problem beim Versuch, diese Objekte zu beobachten, besteht darin, dass sie einzeln nicht gut genug gelöst werden können. Stattdessen müssen sie statistisch aufgedeckt werden, und das bedeutet, dass wir eine umfassende Erhebung über sie benötigen.
„Die Art dieser Objekte kann jedoch nicht auf einer Ereignis-für-Ereignis-Basis geklärt werden, da die Kurve des induzierten Lichts für Linsenkörper mit identischer Masse degeneriert ist. Stattdessen muss man die Verteilungen der Linsenereignisse statistisch vergleichen, um die Art der Linsenwirkung zu bestimmen.“ Bevölkerung“, schreiben die Autoren.
Das römische Weltraumteleskop wird nach seinem geplanten Start im Jahr 2027 viel zu tun haben. Eines seiner Kernbeobachtungsprogramme ist direkt auf diese astrophysikalischen Objekte mit geringer Masse ausgerichtet. Es heißt Galactic Bulge Time Domain Survey.
Diese Untersuchung basiert auf der Sterndichte im galaktischen Bulge. In Richtung der Ausbuchtung gibt es eine hohe Dichte sowohl an Sternlinsen als auch an Quellen, und das römische Teleskop wird diese dichten Regionen mit seinem Wide Field Instrument (WFI) wiederholt untersuchen.
Das Forschungsteam hinter dem neuen Papier sagt, dass die Untersuchung das Potenzial hat, unser Verständnis dieser Objekte mit geringer Masse zu verändern. „Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass selbst unter konservativen Annahmen über Romans Erkennungsschwelle und den zugrunde liegenden Hintergrund von FFPs die Galactic Bulge Time Domain Survey sehr empfindlich auf die Erkennung einer Population von PBHs in neuen Regionen des Parameterraums reagieren wird.“
„Roman ist daher bereit, nicht nur die ersten präzisen Messungen der FFP-Massenverteilung durchzuführen, sondern möglicherweise auch eine darin liegende Subpopulation von PBHs aufzudecken“, schließen sie.
Die beiden epochenbestimmenden Fragen der modernen Weltraumwissenschaft betreffen dunkle Energie und dunkle Materie. Als Dunkle Energie bezeichnet man die Kraft, die die Expansion des Universums vorantreibt. Dunkle Materie ist die Bezeichnung für die unsichtbare Masse, die dem Universum seine Form gibt und seine großräumigen Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen organisiert. Aber wir wissen immer noch nicht, was dunkle Materie ist.
Ursprüngliche Schwarze Löcher sind einer der Hauptkandidaten für Dunkle Materie. Wenn PBHs die gesamte Dunkle Materie des Universums oder einen erheblichen Teil davon ausmachen, erklärt dies die großräumige Struktur des Universums. Sie könnten auch einige Gravitationslinsen erklären, die durch gewöhnliche Materie nicht erklärt werden können. Der Beweis, dass es sich bei PBHs um Dunkle Materie handelt, ist alles andere als schlüssig, aber einige Wissenschaftler argumentieren, dass sie die gesamte Dunkle Materie des Universums oder einen Teil davon ausmachen.
„Es wird erwartet, dass Romans Galactic Bulge Time Domain Survey Hunderte von Mikrolinsenereignissen geringer Masse beobachten wird, was eine robuste statistische Charakterisierung dieser Population ermöglicht“, erklären die Autoren. Mit diesen Umfragedaten könnten Wissenschaftler in der Lage sein, bei der Frage der Dunklen Materie echte Fortschritte zu machen und damit zu beginnen, die tiefsten Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln.
Aber wir müssen noch ein paar Jahre warten.
Mehr Informationen:
William DeRocco et al., Schurkenwelten treffen auf die dunkle Seite: Enthüllung ursprünglicher Schwarzer Löcher mit terrestrischer Masse mit dem Nancy Grace Roman Space Telescope, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2311.00751