Was ist dunkle Materie? Diese Frage spielt in Diskussionen über die Natur des Universums eine wichtige Rolle. Es gibt viele vorgeschlagene Erklärungen für dunkle Materie, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Standardmodells.
Eine angenommene Komponente der Dunklen Materie sind primordiale Schwarze Löcher, die im frühen Universum entstanden, ohne dass ein kollabierender Stern als Vorläufer fungierte.
Das Problem der dunklen Materie ist ein Problem fehlender Masse. Galaxien sollten nicht gemäß ihrer beobachtbaren Masse zusammengehalten werden. Ihre beobachtbare Masse besteht aus Sternen, Gas, Staub und einer Handvoll Planeten.
Es muss eine andere Form von Masse vorhanden sein, um zu verhindern, dass Galaxien sich im Wesentlichen auflösen. Dunkle Materie ist ein Platzhaltername für die fehlende Masse. Der Astronom Fritz Zwicky verwendete den Begriff erstmals 1933, als er den Coma-Haufen beobachtete und Hinweise auf fehlende Masse fand. Etwa 90 % des Coma-Haufens sind masselos, was Zwicky „dunkle Materie“ nannte.
Primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind ein führender Kandidat für dunkle Materie. In den frühesten Zeiten des Universums könnten sich auf natürliche Weise Taschen aus dichter subatomarer Materie gebildet haben. Sobald sie dicht genug waren, könnten sie direkt zu schwarzen Löchern kollabiert sein. Im Gegensatz zu ihren astrophysikalischen Gegenstücken hatten sie keine stellaren Vorläufer.
Jüngste JWST-Beobachtungen und LIGO/Virgo-Ergebnisse stützen die Annahme, dass PBHs dunkle Materie sind. Einige Forscher gehen sogar noch weiter und sagen, dass dieser Beweis die Annahme untermauert, dass dunkle Materie ausschließlich aus PBHs besteht und keine anderen Bestandteile hat.
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass einige der frühen PBHs verschmelzen würden und dass LIGO/Virgo die Gravitationswellen von Verschmelzungen erkennen kann. Forschung ist „Constraints on primordial black holes from LIGO-Virgo-KAGRA O3 events“ und ist veröffentlicht im arXiv Preprint-Server. Der Hauptautor ist M. Andres-Carcasona, ein Doktorand am Institut für Hochenergiephysik des Barcelona Institute of Science and Technology.
Im Jahr 2015 entdeckte LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) die erste Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Damals verkündeten die Forscher, dass dies ein neues Fenster ins Universum sei. Bis dahin beruhten astronomische Beobachtungen auf elektromagnetischer Strahlung, doch LIGO/Virgo änderte dies.
Nun hat sich Japan mit seinem Gravitationswellenobservatorium Karga der LIGO/Virgo-Zusammenarbeit angeschlossen. Das internationale Projekt trägt den Namen LIGO/Virgo/Karga (LVK). Gemeinsam sammeln die drei Observatorien Daten zu Gravitationswellen.
„Frühere Arbeiten haben die Verwendung von GW-Daten untersucht, um direkte oder indirekte Beweise für PBHs zu finden“, schreiben die Autoren. „Speziell gezielte Suchen nach kompakten Objekten mit subsolarer Masse, die ein stichhaltiges Signal für die Existenz von PBHs liefern würden, waren bisher erfolglos.“
Die Autoren weisen darauf hin, dass es in unserer wachsenden Masse an GW-Daten Hinweise auf PBHs geben könnte, die von den Methoden anderer Forscher übersehen wurden. Sie schreiben, dass einige der Komponentenmassen „… in Regionen fallen, in denen astrophysikalische Modelle sie nicht vorhersagen, was möglicherweise auf eine PBH-Population hindeutet“, schreiben sie.
Die Massenfunktion von PBHs spielt bei der Bildung von PBHs eine große Rolle. Ihr Ziel ist es, die Massenbeschränkungen für PBHs in GW-Daten zu aktualisieren. „Eines unserer Ziele ist es, Beschränkungen abzuleiten, die nicht wesentlich vom zugrunde liegenden Entstehungsszenario abhängen. Daher berücksichtigen wir eine Vielzahl verschiedener PBH-Massenfunktionen“, erklären sie.
Die beiden zugrunde liegenden Entstehungsszenarien, die sie erwähnen, sind astrophysikalische und primordiale. Innerhalb der primordialen Kategorie gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie PBHs entstehen können, und sie sind alle mit der Massenfunktion verknüpft. Die Autoren erklären, dass PBHs die Gesamtheit der dunklen Materie erklären könnten, aber nur, wenn sie im Bereich von 10–16 bis 10–12 Sonnenmassen liegen.
„Leichtere PBHs würden heute verdunsten und können nur einen kleinen Teil der Trockenmasse ausmachen“, schreiben sie.
Astrophysikalische Schwarze Löcher bilden Doppelsterne und können verschmelzen, wobei sie Gravitationswellen aussenden. Wenn Schwarze Löcher verschmelzen, würden sie ebenfalls Gravitationswellen aussenden. Es ist möglich, dass einige dieser Verschmelzungen hinter einigen der GW-Daten stecken, die LIGO/Virgo/Karga in seinem dritten Beobachtungslauf erfasst haben.
Die Forscher präsentieren ihre Ergebnisse in einem pessimistischen und einem optimistischen Fall. Der pessimistische Fall geht davon aus, dass alle GW-Beobachtungen auf Verschmelzungen astrophysikalischer Schwarzer Löcher (ABH) zurückzuführen sind, während der optimistische Fall davon ausgeht, dass einige von ihnen auf Verschmelzungen pBHs zurückzuführen sind.
Ihre Forschung und ihre Ergebnisse beinhalten eine schrecklich große Anzahl komplizierter physikalischer Begriffe und Beziehungen. Aber die Hauptfrage ist, ob PBHs dunkle Materie enthalten können, entweder teilweise oder ganz. Worauf laufen die Ergebnisse in diesem Zusammenhang hinaus?
Die Forscher sagen, dass bei ihrer Analyse einer Population sowohl astrophysikalischer als auch primordialer Doppelsterne PBHs nicht vollständig aus Dunkler Materie bestehen können. Sie können höchstens einen kleinen Teil davon ausmachen.
„… in einer Population von Doppelsternen, die aus primordialen und astrophysikalischen Schwarzen Löchern bestehen, stellen wir fest, dass die PBHs in jedem Szenario höchstens fPBH kleiner oder gleich 10-3 Dunkle Materie im Massenbereich von 1–200 Sonnenmassen ausmachen können.“
fPBH stellt den Anteil an Dunkler Materie dar, den PBHs ausmachen können, 10-3 bedeutet 0,001, und der Sonnenmassenbereich ist selbsterklärend. Man muss kein Physiker sein, um zu verstehen, was sie sagen. PBHs können in ihrer Analyse nur einen winzigen Anteil an Dunkler Materie ausmachen.
Diese Studie wird vielleicht keine Schlagzeilen machen. Sie bietet einen Blick hinter die Kulissen der Astrophysik und Kosmologie, wo Forscherteams hart daran arbeiten, verschiedene Phänomene schrittweise einzugrenzen und zu definieren. Aber das schmälert ihre Bedeutung nicht.
Eines Tages könnte es eine Schlagzeile geben, die schreit: „Physiker identifizieren dunkle Materie! Antworten auf die großen Fragen des Universums!“
Sollte das jemals passieren, werden Hunderte und Tausende Studien wie diese dahinter stecken.
Mehr Informationen:
M. Andrés-Carcasona et al, Einschränkungen für primordiale Schwarze Löcher aus LIGO-Virgo-KAGRA O3-Ereignissen, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2405.05732