Hinweise auf urzeitliche Schwarze Löcher könnten sich in Planeten oder sogar in Alltagsgegenständen hier auf der Erde verbergen

Stellen Sie sich die Entstehung eines Schwarzen Lochs vor und stellen Sie sich wahrscheinlich einen massereichen Stern vor, dem der Treibstoff ausgeht und der in sich selbst zusammenbricht. Doch die chaotischen Bedingungen im frühen Universum könnten auch dazu geführt haben, dass sich viele kleine Schwarze Löcher lange vor den ersten Sternen bildeten.

Diese ursprünglichen Schwarzen Löcher werden seit Jahrzehnten theoretisiert und könnten sogar immer schwer fassbare Dunkle Materie sein, die unsichtbare Materie, die 85 % der Gesamtmasse des Universums ausmacht.

Dennoch wurde noch nie ein ursprüngliches Schwarzes Loch beobachtet.

Eine neue von der University at Buffalo mitgeleitete Studie schlägt vor, sowohl im Großen als auch im Kleinen zu denken, um ihre Existenz zu bestätigen. Dies deutet darauf hin, dass ihre Signaturen von sehr großen – hohlen Planetoiden im Weltraum – bis zu winzigen – mikroskopisch kleinen Tunneln in alltäglichen Materialien, die auf der Erde zu finden sind, wie Gesteinen, reichen könnten , Metall und Glas.

Veröffentlichung voraussichtlich in der Dezember-Ausgabe von Physik des Dunklen Universums und jetzt online verfügbar, das Theoretische Studie geht davon aus, dass ein ursprüngliches Schwarzes Loch, das in einem großen felsigen Objekt draußen im Kosmos gefangen ist, seinen flüssigen Kern verzehren und ihn hohl hinterlassen würde. Alternativ könnte ein schnelleres ursprüngliches Schwarzes Loch gerade Tunnel hinterlassen, die groß genug sind, um mit einem Mikroskop sichtbar zu sein, wenn es durch festes Material geht, einschließlich Material hier auf der Erde.

„Die Chancen, diese Signaturen zu finden, sind gering, aber die Suche nach ihnen würde nicht viele Ressourcen erfordern und der potenzielle Gewinn, der erste Beweis für ein urzeitliches Schwarzes Loch, wäre immens“, sagt der Co-Autor der Studie, Dejan Stojkovic, Ph. D., Professor für Physik am UB College of Arts and Sciences. „Wir müssen über den Tellerrand schauen, denn was bisher getan wurde, um urzeitliche Schwarze Löcher zu finden, hat nicht funktioniert.“

Die Studie berechnete, wie groß ein hohler Planetoid sein könnte, ohne in sich selbst zusammenzufallen, und wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein ursprüngliches Schwarzes Loch ein Objekt auf der Erde durchdringt. (Wenn Sie befürchten, dass ein urzeitliches Schwarzes Loch durch Sie hindurchfliegt, müssen Sie das nicht tun. Die Studie kam zu dem Schluss, dass dies nicht tödlich wäre.)

„Aufgrund dieser hohen Wahrscheinlichkeit haben wir uns auf solide Markierungen konzentriert, die seit Tausenden, Millionen oder sogar Milliarden von Jahren existieren“, sagt Co-Autor De-Chang Dai, Ph.D., von der National Dong Hwa University und dem Case Western Reserve Universität.

Hohle Objekte könnten nicht größer als 1/10 der Erde sein

Da sich das Universum nach dem Urknall schnell ausdehnte, waren Bereiche im Weltraum möglicherweise dichter als ihre Umgebung, was dazu führte, dass sie kollabierten und primordiale Schwarze Löcher (PBHs) bildeten.

PBHs hätten viel weniger Masse als die später von sterbenden Sternen gebildeten stellaren Schwarzen Löcher, wären aber immer noch extrem dicht, wie die Masse eines Berges, der zu einer Fläche von der Größe eines Atoms verdichtet wäre.

Stojkovic, der bereits zuvor vorgeschlagen hat, wo theoretische Wurmlöcher zu finden sind, fragte sich, ob ein PBH jemals während oder nach seiner Entstehung in einem Planeten, Mond oder Asteroiden gefangen war.

„Wenn das Objekt einen flüssigen zentralen Kern hat, kann ein eingefangenes PBH den flüssigen Kern absorbieren, dessen Dichte höher ist als die Dichte der äußeren festen Schicht“, sagt Stojkovic.

Das PBH könnte dann dem Objekt entkommen, wenn das Objekt von einem Asteroiden getroffen würde, und nichts als eine hohle Hülle zurücklassen.

Aber wäre eine solche Hülle stark genug, um sich selbst zu tragen, oder würde sie einfach unter ihrer eigenen Spannung zusammenbrechen? Durch den Vergleich der Festigkeit natürlicher Materialien wie Granit und Eisen mit der Oberflächenspannung und Oberflächendichte berechneten die Forscher, dass ein solches hohles Objekt nicht größer als ein Zehntel des Erdradius sein könnte, was es wahrscheinlicher macht, dass es sich um einen Kleinplaneten als um einen richtigen Planeten handelt .

„Wenn es noch größer ist, wird es zusammenbrechen“, sagt Stojkovic.

Diese hohlen Objekte könnten mit Teleskopen erkennbar sein. Die Masse und damit die Dichte kann durch Untersuchung der Umlaufbahn eines Objekts bestimmt werden.

„Wenn die Dichte des Objekts für seine Größe zu gering ist, ist das ein guter Hinweis darauf, dass es hohl ist“, sagt Stojkovic.

Alltagsgegenstände könnten Detektoren für Schwarze Löcher sein

Bei Objekten ohne flüssigen Kern könnten PBHs einfach einen geraden Tunnel passieren und zurücklassen, so die Studie. Beispielsweise würde ein PBH mit einer Masse von 1022 Gramm einen Tunnel mit einer Dicke von 0,1 Mikrometern hinterlassen.

Eine große Platte aus Metall oder anderem Material könnte als wirksamer Detektor für Schwarze Löcher dienen, indem sie auf das plötzliche Auftauchen dieser Tunnel überwacht wird. Stojovic sagt jedoch, dass die Suche nach vorhandenen Tunneln aus sehr altem Material – aus Hunderten von Gebäuden – bessere Chancen hätte von Jahren bis hin zu Gesteinen, die Milliarden Jahre alt sind.

Doch selbst unter der Annahme, dass Dunkle Materie tatsächlich aus PBHs besteht, berechneten sie, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein PBH einen Milliarden Jahre alten Felsbrocken durchdringt, 0,000001 beträgt.

„Man muss die Kosten gegen den Nutzen abwägen. Kostet es viel, dies zu tun? Nein, das ist nicht der Fall“, sagt Stojkovic.

Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sie im Laufe Ihres Lebens eine PBH durchmachen, gelinde gesagt gering. Selbst wenn man es täte, würde man es wahrscheinlich nicht bemerken.

Im Gegensatz zu einem Stein weist menschliches Gewebe eine geringe Spannung auf, so dass ein PBH es nicht zerreißen würde. Und obwohl die kinetische Energie eines PBH enorm sein kann, kann er bei einer Kollision nicht viel davon freisetzen, weil er sich so schnell bewegt.

„Wenn sich ein Projektil schneller als mit Schallgeschwindigkeit durch ein Medium bewegt, hat die molekulare Struktur des Mediums keine Zeit zu reagieren“, sagt Stojkovic. „Wirf einen Stein durch ein Fenster, er wird wahrscheinlich zerspringen. Wenn du mit einer Waffe auf ein Fenster schießt, hinterlässt es wahrscheinlich nur ein Loch.“

Neue theoretische Rahmenbedingungen erforderlich

Theoretische Studien wie diese seien von entscheidender Bedeutung, sagt Stojkovic und weist darauf hin, dass viele physikalische Konzepte, die einst unplausibel schienen, heute als wahrscheinlich gelten.

Das Feld, fügt Stojkovic hinzu, stehe derzeit vor einigen ernsthaften Problemen, darunter auch mit der Dunklen Materie. Seine letzten großen Revolutionen – die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie – sind ein Jahrhundert alt.

„Die klügsten Menschen auf dem Planeten arbeiten seit 80 Jahren an diesen Problemen und haben sie noch nicht gelöst“, sagt er. „Wir brauchen keine einfache Erweiterung der bestehenden Modelle. Wir brauchen wahrscheinlich ein völlig neues Framework.“