Dunkle Materie könnte zur Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher im frühen Universum beigetragen haben

Es dauert lange, bis supermassive Schwarze Löcher wie das im Zentrum unserer Milchstraße entstehen. Normalerweise muss zur Geburt eines Schwarzen Lochs ein Riesenstern mit der Masse von mindestens 50 unserer Sonnen ausbrennen – ein Prozess, der eine Milliarde Jahre dauern kann – und sein Kern in sich zusammenfallen.

Trotzdem ist das resultierende Schwarze Loch mit nur etwa 10 Sonnenmassen weit entfernt von dem 4 Millionen Sonnenmassen schweren Schwarzen Loch Sagittarius A* in unserer Milchstraße oder den Milliarden Sonnenmassen schweren supermassiven Schwarzen Löchern in anderen Galaxien. Solche gigantischen Schwarzen Löcher können aus kleineren Schwarzen Löchern durch Ansammlung von Gas und Sternen und durch Verschmelzungen mit anderen Schwarzen Löchern entstehen, was Milliarden von Jahren dauert.

Warum also entdeckt das James-Webb-Weltraumteleskop supermassive Schwarze Löcher schon am Anfang der Zeit, Äonen bevor sie sich hätten bilden können? Astrophysiker der UCLA haben eine Antwort, die so mysteriös ist wie die Schwarzen Löcher selbst: Dunkle Materie verhinderte, dass Wasserstoff lange genug abkühlte, damit die Schwerkraft ihn zu Wolken kondensieren konnte, die groß und dicht genug waren, um sich in Schwarze Löcher statt in Sterne zu verwandeln. Der Befund ist veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Es war wirklich überraschend, ein supermassives Schwarzes Loch mit einer Milliarde Sonnenmasse zu finden, obwohl das Universum selbst nur eine halbe Milliarde Jahre alt ist“, sagte der leitende Autor Alexander Kusenko, Professor für Physik und Astronomie an der UCLA. „Es ist, als würde man zwischen Dinosaurierknochen ein modernes Auto finden und sich fragen, wer dieses Auto in prähistorischen Zeiten gebaut hat.“

Einige Astrophysiker haben die Theorie aufgestellt, dass eine große Gaswolke kollabieren und direkt ein supermassives Schwarzes Loch bilden könnte, ohne die lange Geschichte von Sternverbrennungen, Akkretionen und Verschmelzungen zu durchlaufen. Doch die Sache hat einen Haken: Die Schwerkraft zieht tatsächlich eine große Gaswolke zusammen, aber nicht zu einer einzigen großen Wolke. Stattdessen sammelt sie Teile des Gases in kleinen Halos, die nebeneinander schweben, aber kein Schwarzes Loch bilden.

Der Grund dafür ist, dass die Gaswolke zu schnell abkühlt. Solange das Gas heiß ist, kann sein Druck der Schwerkraft entgegenwirken. Wenn das Gas jedoch abkühlt, nimmt der Druck ab und die Schwerkraft kann in vielen kleinen Bereichen überhandnehmen, die zu dichten Objekten kollabieren, bevor die Schwerkraft die Chance hat, die gesamte Wolke zu einem einzigen schwarzen Loch zusammenzuziehen.

„Wie schnell das Gas abkühlt, hängt stark von der Menge an molekularem Wasserstoff ab“, sagte Erstautor und Doktorand Yifan Lu. „Wasserstoffatome, die in einem Molekül miteinander verbunden sind, geben Energie ab, wenn sie auf ein loses Wasserstoffatom treffen. Die Wasserstoffmoleküle werden zu Kühlmitteln, da sie Wärmeenergie absorbieren und abstrahlen. Wasserstoffwolken im frühen Universum hatten zu viel molekularen Wasserstoff, und das Gas kühlte schnell ab und bildete kleine Halos statt großer Wolken.“

Lu und der Postdoktorand Zachary Picker schrieben Code, um alle möglichen Prozesse dieses Szenarios zu berechnen, und entdeckten, dass zusätzliche Strahlung das Gas erhitzen und die Wasserstoffmoleküle dissoziieren kann, wodurch sich die Art und Weise ändert, wie das Gas abkühlt.

„Wenn man Strahlung in einem bestimmten Energiebereich hinzufügt, zerstört das molekularen Wasserstoff und schafft Bedingungen, die die Fragmentierung großer Wolken verhindern“, sagte Lu.

Doch woher kommt die Strahlung?

Nur ein sehr kleiner Teil der Materie im Universum besteht aus der Art, aus der unsere Körper, unsere Planeten, die Sterne und alles andere bestehen, was wir beobachten können. Der überwiegende Teil der Materie, der durch die Gravitationswirkung auf Sternobjekte und durch die Beugung von Lichtstrahlen aus entfernten Quellen nachgewiesen wurde, besteht aus einigen neuen Teilchen, die die Wissenschaftler noch nicht identifiziert haben.

Die Formen und Eigenschaften der Dunklen Materie sind daher ein Rätsel, das noch gelöst werden muss. Obwohl wir nicht wissen, was Dunkle Materie ist, spekulieren Teilchentheoretiker schon seit langem, dass sie instabile Teilchen enthalten könnte, die in Photonen, die Teilchen des Lichts, zerfallen können. Die Einbeziehung dieser Dunklen Materie in die Simulationen lieferte die Strahlung, die erforderlich ist, damit das Gas in einer großen Wolke verbleibt, während es zu einem schwarzen Loch kollabiert.

Dunkle Materie könnte aus Teilchen bestehen, die langsam zerfallen, oder sie könnte aus mehr als einer Teilchenart bestehen: einige sind stabil und andere zerfallen früh. In beiden Fällen könnte das Produkt des Zerfalls Strahlung in Form von Photonen sein, die molekularen Wasserstoff aufspalten und verhindern, dass Wasserstoffwolken zu schnell abkühlen. Selbst ein sehr leichter Zerfall dunkler Materie erzeugt genug Strahlung, um eine Abkühlung zu verhindern, wodurch große Wolken und schließlich supermassive Schwarze Löcher entstehen.

„Dies könnte die Erklärung dafür sein, warum supermassive Schwarze Löcher schon sehr früh entdeckt werden“, sagte Picker. „Wenn man optimistisch ist, könnte man dies auch als positiven Beweis für eine Art Dunkle Materie interpretieren. Wenn diese supermassiven Schwarzen Löcher durch den Kollaps einer Gaswolke entstanden sind, müsste die erforderliche zusätzliche Strahlung vielleicht aus der unbekannten Physik des Dunklen Sektors stammen.“