Neue Forschung stellt Erklärung für Schwarze Löcher als dunkle Materie in Frage

Die Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo haben eine Population massereicher Schwarzer Löcher entdeckt, deren Ursprung eines der größten Rätsel der modernen Astronomie ist. Einer Hypothese zufolge könnten diese Objekte im sehr frühen Universum entstanden sein und dunkle Materie enthalten, eine mysteriöse Substanz, die das Universum ausfüllt.

Ein Team von Wissenschaftlern der OGLE-Umfrage (Optical Gravitational Lensing Experiment) des Astronomischen Observatoriums der Universität Warschau hat die Ergebnisse von fast 20-jährigen Beobachtungen bekannt gegeben, die darauf hinweisen, dass solche massereichen Schwarzen Löcher höchstens ein paar Prozent Dunkle Materie enthalten können. Daher ist eine andere Erklärung für Gravitationswellenquellen erforderlich. Die Ergebnisse der Forschung wurden veröffentlicht in einer Studie in Natur Und eine Studie In Die Beilagereihe des Astrophysical Journal.

Verschiedene astronomische Beobachtungen zeigen, dass gewöhnliche Materie, die wir sehen oder berühren können, nur 5 % der gesamten Masse und Energie des Universums ausmacht. In der Milchstraße kommen auf 1 kg gewöhnliche Materie in Sternen 15 kg dunkle Materie, die kein Licht aussendet und nur durch ihre Gravitationskraft interagiert.

„Die Natur der Dunklen Materie bleibt ein Rätsel. Die meisten Wissenschaftler glauben, dass sie aus unbekannten Elementarteilchen besteht“, sagt Dr. Przemek Mr.óz vom Astronomischen Observatorium der Universität Warschau, der Hauptautor beider Artikel. „Trotz jahrzehntelanger Bemühungen hat leider kein Experiment (einschließlich der Experimente mit dem Large Hadron Collider) neue Teilchen gefunden, die für die Dunkle Materie verantwortlich sein könnten.“

Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen von einem verschmelzenden Paar Schwarzer Löcher im Jahr 2015 haben die LIGO- und Virgo-Experimente mehr als 90 solcher Ereignisse registriert. Den Astronomen fiel auf, dass die von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher typischerweise deutlich massereicher sind (20–100 Sonnenmassen) als die bisher in der Milchstraße bekannten (5–20 Sonnenmassen).

„Die Erklärung, warum diese beiden Populationen Schwarzer Löcher so unterschiedlich sind, ist eines der größten Rätsel der modernen Astronomie“, sagt Dr. Mr. óz.

Eine mögliche Erklärung geht davon aus, dass die Detektoren LIGO und Virgo eine Population primordialer Schwarzer Löcher entdeckt haben, die sich möglicherweise im frühen Universum gebildet haben. Ihre Existenz wurde erstmals vor über 50 Jahren vom britischen theoretischen Physiker Stephen Hawking und unabhängig davon vom sowjetischen Physiker Yakov Zeldovich vorgeschlagen.

„Wir wissen, dass das frühe Universum nicht ideal homogen war – kleine Dichteschwankungen führten zur Entstehung der heutigen Galaxien und Galaxienhaufen“, sagt Dr. Mr. óz. „Ähnliche Dichteschwankungen können, wenn sie einen kritischen Dichtekontrast überschreiten, kollabieren und schwarze Löcher bilden.“

Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen spekulieren immer mehr Wissenschaftler darüber, dass solche primordialen Schwarzen Löcher einen erheblichen Teil, wenn nicht sogar die gesamte Dunkle Materie ausmachen könnten.

Glücklicherweise lässt sich diese Hypothese durch astronomische Beobachtungen bestätigen. Wir beobachten, dass in der Milchstraße große Mengen dunkler Materie vorhanden sind. Wenn sie aus schwarzen Löchern bestehen würde, müssten wir sie in unserer kosmischen Nachbarschaft entdecken können. Ist das möglich, da schwarze Löcher kein wahrnehmbares Licht aussenden?

Gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie kann Licht im Gravitationsfeld massereicher Objekte gebogen und abgelenkt werden, ein Phänomen, das als Gravitationsmikrolinseneffekt bezeichnet wird.

„Mikrolinseneffekt tritt auf, wenn drei Objekte – ein Beobachter auf der Erde, eine Lichtquelle und eine Linse – im Raum nahezu ideal ausgerichtet sind“, sagt Prof. Andrzej Udalski, der leitende Forscher der OGLE-Umfrage. „Während eines Mikrolinseneffekts kann das Licht der Quelle abgelenkt und verstärkt werden, und wir beobachten eine vorübergehende Aufhellung des Lichts der Quelle.“

Die Dauer der Aufhellung hängt von der Masse des Linsenobjekts ab: Je höher die Masse, desto länger dauert das Ereignis. Mikrolinsen-Ereignisse von Objekten mit Sonnenmasse dauern typischerweise mehrere Wochen, während solche von schwarzen Löchern, die 100 Mal massereicher als die Sonne sind, einige Jahre dauern würden.

Die Idee, Gravitationsmikrolinseneffekte zur Untersuchung dunkler Materie zu nutzen, ist nicht neu. Sie wurde erstmals in den 1980er Jahren vom polnischen Astrophysiker Bohdan Paczyński vorgeschlagen. Seine Idee inspirierte den Beginn von drei großen Experimenten: dem polnischen OGLE, dem amerikanischen MACHO und dem französischen EROS. Die ersten Ergebnisse dieser Experimente zeigten, dass Schwarze Löcher mit weniger als einer Sonnenmasse weniger als 10 % der dunklen Materie ausmachen können. Diese Beobachtungen reagierten jedoch nicht empfindlich auf Mikrolinseneffekte mit extrem langen Zeiträumen und damit nicht auf massereiche Schwarze Löcher, wie sie kürzlich mit Gravitationswellendetektoren entdeckt wurden.

Im neuen Artikel in Die Beilagereihe des Astrophysical Journalpräsentieren OGLE-Astronomen die Ergebnisse einer fast 20 Jahre dauernden photometrischen Überwachung von fast 80 Millionen Sternen in einer nahegelegenen Galaxie, der Großen Magellanschen Wolke, und der Suche nach Gravitationsmikrolinsen-Ereignissen. Die analysierten Daten wurden während der dritten und vierten Phase des OGLE-Projekts von 2001 bis 2020 gesammelt.

„Dieser Datensatz liefert die längsten, umfangreichsten und genauesten photometrischen Beobachtungen von Sternen in der Großen Magellanschen Wolke in der Geschichte der modernen Astronomie“, sagt Prof. Udalski.

Der zweite Artikel, veröffentlicht in Naturdiskutiert die astrophysikalischen Konsequenzen der Erkenntnisse.

„Wenn die gesamte dunkle Materie in der Milchstraße aus schwarzen Löchern mit 10 Sonnenmassen bestehen würde, hätten wir 258 Mikrolinsen-Ereignisse feststellen müssen“, sagt Dr. Mr. óz. „Bei 100 schwarzen Löchern mit Sonnenmasse erwarteten wir 99 Mikrolinsen-Ereignisse. Bei 1.000 schwarzen Löchern mit Sonnenmasse 27 Mikrolinsen-Ereignisse.“

Im Gegensatz dazu haben die OGLE-Astronomen nur 13 Mikrolinsen-Ereignisse gefunden. Ihre detaillierte Analyse zeigt, dass sie alle durch die bekannten Sternpopulationen in der Milchstraße oder der Großen Magellanschen Wolke selbst erklärt werden können und nicht durch schwarze Löcher.

„Das deutet darauf hin, dass massereiche Schwarze Löcher höchstens ein paar Prozent der Dunklen Materie ausmachen können“, sagt Dr. Mr. óz.

Die detaillierten Berechnungen zeigen, dass Schwarze Löcher mit 10 Sonnenmassen höchstens 1,2 % Dunkle Materie ausmachen können, 100 Schwarze Löcher mit Sonnenmasse 3,0 % Dunkle Materie und 1.000 Schwarze Löcher mit Sonnenmasse 11 % Dunkle Materie.

„Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass primordiale Schwarze Löcher keinen signifikanten Anteil der Dunklen Materie ausmachen können und erklären gleichzeitig die beobachteten Verschmelzungsraten Schwarzer Löcher, die von LIGO und Virgo gemessen wurden“, sagt Prof. Udalski.

Daher sind für die von LIGO und Virgo entdeckten massereichen Schwarzen Löcher andere Erklärungen erforderlich. Einer Hypothese zufolge entstanden sie als Produkt der Evolution massereicher Sterne mit geringer Metallizität. Eine andere Möglichkeit sind Verschmelzungen weniger massereicher Objekte in dichten Sternumgebungen wie Kugelsternhaufen.

„Unsere Ergebnisse werden noch Jahrzehnte in den Astronomielehrbüchern stehen“, fügt Prof. Udalski hinzu.