Ursprüngliche Löcher könnten sich in Planeten, Asteroiden und hier auf der Erde verstecken

Kleine primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind heute eines der heißen Themen in der Astronomie und Kosmologie. Es wird angenommen, dass diese hypothetischen Schwarzen Löcher kurz nach dem Urknall entstanden sind und aus Taschen subatomarer Materie entstanden sind, die so dicht waren, dass sie einen Gravitationskollaps erlitten.

Derzeit gelten PBHs als Kandidaten für Dunkle Materie, als mögliche Quelle ursprünglicher Gravitationswellen und als Lösung für verschiedene Probleme der Physik. Bisher wurde jedoch kein definitiver PBH-Kandidat beobachtet, was zu Vorschlägen führt, wie wir diese Miniatur-Schwarzen Löcher finden könnten.

Neuere Forschungen deuten darauf hin, dass Hauptreihen-Neutronen- und Zwergsterne in ihrem Inneren kleine PBHs enthalten könnten, die langsam ihren Gasvorrat verbrauchen. In einer aktuellen Studie erweiterte ein Team von Physikern diese Idee um einen neuen Weg zum potenziellen Nachweis von PBHs.

Grundsätzlich könnten wir das Innere von Objekten wie Planeten und Asteroiden durchsuchen oder große Metallplatten oder -platten verwenden, um PBHs auf Anzeichen ihres Durchgangs zu erkennen. Durch die Entdeckung der Mikrokanäle, die diese Körper hinterlassen würden, konnten Wissenschaftler endlich die Existenz von PBHs bestätigen und Licht auf einige der größten Geheimnisse der heutigen Kosmologie werfen.

Die Forschung wurde von De-Chang Dai, einem Physiker an der National Dong Hwa University in Taiwan und dem Center for Education and Research in Cosmology and Astrophysics (CERCA) an der Case Western Reserve University, und Dejan Stojkovic, einem Physiker von High Energy Physics und durchgeführt Kosmologiegruppe an der State University of New York Buffalo. Das Papier, in dem ihre Ergebnisse detailliert beschrieben werden, wurde kürzlich veröffentlicht gepostet auf der arXiv Preprint-Server und wurde akzeptiert zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physik des Dunklen Universums.

Wissenschaftler sind seit Jahrzehnten von PBHs fasziniert, seit die russischen Wissenschaftler Igor D. Novikov und Yakov Zeldovich 1966 ihre Existenz vorhergesagt haben. Sie waren auch eine Quelle des Interesses für Stephen Hawking, dessen Arbeit an PBHs 1974 zu seiner bahnbrechenden Entdeckung von Schwarzen Löchern führte kann mit der Zeit verdunsten. Während die Verdampfung größerer und mittlerer Schwarzer Löcher länger dauern würde als das aktuelle Alter des Universums (ca. 13,8 Milliarden Jahre), könnten kleinere PBHs dies bereits getan haben oder gerade dabei sein, zu verdampfen.

Allerdings hat das Interesse an PBHs in den letzten Jahren eine Renaissance erlebt, da sie als Kandidaten für dunkle Materie, als Quelle ursprünglicher Gravitationswellen (GWs) und mehr dienen. Wie die Dunkle Materie könnte ihre Existenz zur Lösung einiger großer kosmologischer Rätsel beitragen, es wurden jedoch noch keine bestätigten Beobachtungen gemacht. Wie De-Chang und Stojkovic Universe Today per E-Mail mitteilten, war dies der Grund für sie, neuartige Nachweismethoden vorzuschlagen:

„Wenn ein Asteroid, ein Mond oder ein kleiner Planet (Planetoid) einen flüssigen Kern hat, der von einer festen Kruste umgeben ist, dann verbraucht ein kleines PBH den dichten flüssigen Kern relativ schnell (innerhalb von Wochen bis Monaten). Die Kruste bleibt intakt.“ Wenn das Material stark genug ist, um der Schwerkraftbelastung standzuhalten, entsteht eine hohle Struktur. Wenn das zentrale Schwarze Loch ausgestoßen wird (aufgrund von Kollisionen mit anderen Objekten), wird die Dichte geringer sein als die übliche Dichte eines Gesteins Objekt mit flüssigem Kern.

Darüber hinaus berechneten De-Chang und Stojkovic den Gravitationsstress, den kleine PBHs erzeugen würden. Anschließend verglichen sie dies mit der Druckfestigkeit von Materialien, aus denen die Kruste eines Planeten besteht – etwa Silikatmineralien (Gestein), Eisen und andere Elemente. Sie berücksichtigten auch die stärksten hergestellten Materialien, wie zum Beispiel mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren. „Wir haben zum Beispiel herausgefunden, dass Granit hohle Strukturen bis zu einem Radius von einem Zehntel des Erdradius tragen kann“, sagte Stojkovic. „Deshalb sollten wir uns auf Planetoiden, Monde oder Asteroiden konzentrieren.“

Diese Berechnungen bieten eine Möglichkeit, nach Beweisen für PBHs im Weltraum und hier auf der Erde zu suchen. Mögliche Kandidaten für Planetoiden, Monde oder Asteroiden könnten in unserem Sonnensystem identifiziert werden, indem man ihre Masse und ihren Radius beobachtet, um Schätzungen über ihre Dichte zu erhalten. Dies würde es Astronomen ermöglichen, potenziell hohle Objekte für Folgestudien durch Sonden, Lander und andere Roboter-Weltraummissionen zu identifizieren. Alternativ empfehlen sie den Bau von Sensoren, die nach PBHs suchen, indem sie deren Durchgang erkennen. Stojkovic sagte:

„Wenn ein kleines PBH durch festes Material geht, hinterlässt es einen geraden langen Tunnel mit einem Radius, der mit dem Radius des PBH vergleichbar ist. Beispielsweise sollte ein 1023 g schweres PBH einen Tunnel mit einem Radius von 0,1 Mikrometer hinterlassen.“ [The energies] die solche PBHs haben können, sind bedeutsam, aber [the energies] die sie in das Material einlagern, sind sehr gering. Tatsächlich kann ein solches PBH sogar einen menschlichen Körper passieren, und wir würden es nicht einmal bemerken, da menschliches Körpergewebe eine sehr geringe Spannung aufweist.“

Auf diese Weise können Wissenschaftler nach Mikrotunneln in alltäglichen Materialien suchen, die wir herumliegen (wie Glas oder Steine). Gleichzeitig, sagen De-Chang und Stojkovic, könnten zu diesem Zweck große Platten aus poliertem Metall hergestellt werden. Ähnlich wie bei der Neutrino-Detektion müssten diese Platten isoliert werden, damit jede plötzliche Änderung ihrer Eigenschaften aufgezeichnet werden könnte.

„Der erwartete Fluss dieser PBHs ist sehr gering und wir werden möglicherweise am Ende nichts finden, aber der mögliche Gewinn, der sich aus der Suche nach PBHs ergibt, wird enorm sein, insbesondere da solche Experimente sehr kostengünstig sein werden“, sagte Stojkovic.

Wie De-Chang hinzufügte, wurde in den letzten Jahren vorgeschlagen, dass einige urzeitliche Schwarze Löcher in Sternen verborgen sein könnten. Stephen Hawking schlug die Idee einmal vor, die zur Grundlage zweier Studien wurde, eine im Jahr 2019 und eine im vergangenen Jahr.

„Es wird auch vermutet, dass urzeitliche Schwarze Löcher Gammastrahlen ausstrahlen könnten. Starke Gammastrahlen im Halo aus dunkler Materie der Milchstraße können ein guter Hinweis auf die Existenz urzeitlicher Schwarzer Löcher sein“, sagte De-Chang. „Gravitationsmikrolinsen können eine weitere Möglichkeit sein, die ursprünglichen Schwarzen Löcher zu identifizieren.“