Erstmals uraltes Schwarzes Loch aufgespürt?

Ein ungewöhnliches Gravitationssignal wirft Fragen auf

Wissenschaftler haben etwas Außergewöhnliches registriert. Ein Signal von Gravitationswellen deutet auf ein Objekt hin, das so leicht ist, dass es in kein bekanntes Modell der stellaren Evolution passt. Diese Entdeckung könnte unser Verständnis des frühen Universums vollständig neu schreiben.

Das Forschungsteam der LIGO-Virgo-Kagra-Kollaboration hat die Kollision zweier kompakter Körper mit der Bezeichnung S251112cm detailliert untersucht. Als die Forscher die Massen der Teilnehmer dieser kosmischen Kollision berechneten, machten sie eine überraschende Feststellung. Eines der Objekte wiegt weniger als unsere Sonne. Für die traditionelle Astrophysik dürfte ein solches Schwarzes Loch praktisch nicht existieren. Genau deshalb spekulieren einige Wissenschaftler nun, dass wir möglicherweise den ersten Beweis für ein sogenanntes primordialen Schwarzes Loch beobachten, das unmittelbar nach dem Urknall entstanden ist.

Gravitationswellen überbringen eine rätselhafte Botschaft aus dem Kosmos

Die ganze Geschichte beginnt mit einer scheinbar routinemäßigen Aufzeichnung von Gravitationswellen durch das Netzwerk der LIGO-, Virgo- und japanischen Kagra-Detektoren. Diese gewaltigen Interferometer können winzige Abstandsänderungen zwischen Spiegeln messen, die durch den Durchgang von Gravitationswellen durch unseren Planeten verursacht werden.

Die meisten ähnlichen Signale stammen von Kollisionen Schwarzer Löcher mit Massen von Dutzenden Sonnen. Diesmal jedoch enthüllte die Analyse des Ereignisses S251112cm etwas Außergewöhnliches. Eines der beiden verschmelzenden Objekte hat eine Masse, die sich von etwa einem Zehntel bis knapp unter einer Sonnenmasse bewegt.

Ein derart leichtes Schwarzes Loch passt nicht in den Rahmen bekannter Prozesse der Sternentwicklung. Dies ist ein bedeutsames Signal, das auf einen völlig anderen Mechanismus seiner Entstehung hindeutet.

Die Forscher überprüften sofort konventionellere Erklärungen. Wenn das Signal von einer Kollision von Neutronensternen oder Weißen Zwergen stammte, hätten sie auch elektromagnetische Strahlung aufzeichnen müssen. Die Suche nach einem begleitenden Aufblitzen in Gammastrahlen, im Röntgen- oder optischen Spektrum blieb jedoch ohne Ergebnisse. Somit blieb ein weitaus exotischeres Szenario im Spiel.

Ein Schwarzes Loch kleiner als eine Großstadt

Objekte mit einer Masse nahe der Sonne, die wir aus astronomischen Katalogen kennen, sind überwiegend extrem dichte Neutronensterne. Ein gewöhnliches Schwarzes Loch, das durch den Kollaps eines massiven Sterns entsteht, ist deutlich schwerer. Nach aktuellen Modellen muss es mindestens etwa drei Sonnenmassen erreichen.

Für ein Objekt mit einer Masse von rund 0,87 Sonnenmassen ergeben sich Dimensionen vergleichbar mit einer größeren tschechischen Stadt. Der Durchmesser einer solchen Raumzeitfalle würde etwa 5 Kilometer betragen. Eine Strecke, die ein Mensch bequem in einer halben Stunde läuft, und dabei sprechen wir von der Anhäufung nahezu der gesamten Masse der Sonne in einem so kleinen Raum.

Um etwas derart Extremes zu erschaffen, sind Bedingungen erforderlich, die kein bekannter stellarer Prozess gewährleisten kann. Astrophysiker betonen, dass die klassische Physik der Sternentwicklung die Entstehung eines Schwarzen Lochs mit so geringer Masse durch gewöhnlichen Kollaps eines Sternkerns nicht erlaubt.

Eine Spur aus den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall

Genau deshalb richten die Autoren der neuen Studie, Nico Cappelluti und Alberto Magaraggia, ihre Aufmerksamkeit viel weiter in die Vergangenheit. Konkret in die Periode, als das Universum jünger als eine Millionstel Sekunde war. In dieser Ära verhielt sich Materie völlig anders als heute. Es dominierte das sogenannte Quark-Gluon-Plasma und Dichten mit Temperaturen erreichten unvorstellbare Werte.

Bereits in den siebziger Jahren sagten theoretische Physiker einschließlich Stephen Hawking eine interessante Möglichkeit voraus. In einer solchen Umgebung konnten lokale Dichtefluktuationen unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren und eine ganze Population miniaturisierter Schwarzer Löcher erschaffen. Diese Objekte erhielten die Bezeichnung primordiale Schwarze Löcher.

Das Forschungsteam deutet an, dass das analysierte Objekt genau in der Ära entstanden sein könnte, die mit der Physik der Quantenchromodynamik verbunden ist, einige Mikrosekunden nach dem Urknall.

Sollte sich dieses Szenario bestätigen, würde das Signal S251112cm den ersten greifbaren Beweis darstellen, dass solche Gebilde tatsächlich bis heute überlebt haben. Es würde bedeuten, dass das Universum bereits in seinen ersten Augenblicken begann, Schwarze Löcher in Mengen zu produzieren, über die bisher nur in theoretischen Gleichungen gesprochen wurde.

Verbirgt sich Dunkle Materie in Form miniaturisierter Schwarzer Löcher?

Das gesamte Puzzle gewinnt noch faszinierendere Dimensionen, wenn Forscher diesen Kandidaten für ein primordiales Schwarzes Loch mit dem Problem der sogenannten Dunklen Materie verbinden. Seit Jahrzehnten wissen wir, dass sichtbare Materie nur einen kleinen Teil der kosmischen Massenbilanz ausmacht. Etwa 85 Prozent bildet eine unsichtbare Komponente, die sich nur gravitativ manifestiert.

Bisher suchten viele Forschungsgruppen nach Teilchen, die für diese fehlende Komponente verantwortlich sind. Die Suche nach sogenannten WIMPs in unterirdischen Detektoren brachte jedoch bislang keinen eindeutigen Erfolg. Das öffnete den Weg für alternative Hypothesen.

Wenn primordiale Schwarze Löcher in ausreichender Anzahl und geeignetem Massenbereich existieren, könnten sie einen wesentlichen Teil der Dunklen Materie ausmachen. Möglicherweise sogar ihre vollständige Mehrheit.

Die neue Analyse deutet an, dass das detektierte Objekt einem solchen Szenario entspricht. Die Massencharakteristik stimmt mit den Vorhersagen einiger Modelle der Population primordialer Schwarzer Löcher überein. In dieser Vision stellt Dunkle Materie keine exotischen Teilchen dar, die wir nicht finden können. Stattdessen würde es sich um unzählige Schwarze Löcher handeln, die seit den frühesten Epochen über den gesamten Kosmos verstreut sind.

Vielversprechendes Signal erfordert weitere Bestätigung

Trotz der Begeisterung rufen einige Wissenschaftler zur Vorsicht auf. Schätzungen geben an, dass die Wahrscheinlichkeit einer Masse niedriger als eine Sonnenmasse über 99 Prozent liegt. Die Interpretation erfordert jedoch Umsicht. Es existieren noch komplexere Szenarien, die Systeme mehrerer Objekte in dichten Sternhaufen einbeziehen, die untypische Signale generieren können.

Daher bezeichnet das Team das Objekt vorerst als „Kandidat“ für ein primordiales Schwarzes Loch. Für den Übergang vom Hinweis zu einer festen Schlussfolgerung benötigen Physiker mehr ähnliche Ereignisse. Die laufende Beobachtungskampagne des LVK-Netzwerks spielt eine Schlüsselrolle. Die Detektoren erreichen stetig höhere Empfindlichkeit, sodass die Chance auf weitere Aufzeichnungen jedes Jahr steigt.

Ein zweites oder drittes Signal mit vergleichbaren Parametern könnte eine interessante Hypothese in ein neues Kapitel der Kosmologie verwandeln.

Wenn mehrere unabhängige Ereignisse die Existenz einer ganzen Klasse sub-solarer Schwarzer Löcher bestätigen, werden Physiker die Kapitel der Lehrbücher zum Urknall, zur frühen Kosmologie und zur Natur der Dunklen Materie neu schreiben müssen.

Wie funktioniert ein Gravitationswellendetektor?

Für ein besseres Verständnis der Bedeutung des aktuellen Signals hilft es zu wissen, was LIGO oder Virgo eigentlich messen. Es handelt sich um Einrichtungen, bei denen ein Laserstrahl in zwei senkrechten Armen verläuft und von Spiegeln reflektiert wird, die mehrere Kilometer entfernt sind. Wenn eine Gravitationswelle den Detektor durchquert, komprimiert sie geringfügig eine Achse und streckt die andere.

Die Längenänderung der Arme ist kleiner als ein Bruchteil des Durchmessers eines Protons. Dennoch kann die fortschrittliche interferometrische Technik diesen Unterschied erfassen. Aus der Form des aufgezeichneten „Zwitscherns“ der Gravitationswellen lesen Forscher die Massen, die Entfernung und den Typ der kollidierenden Objekte ab.

• Die Dauer des Signals informiert über die Massen der Komponenten des Paares
• Die Amplitude wird in die Entfernung der Quelle umgewandelt
• Die Endfrequenz ermöglicht die Schätzung der Masse des resultierenden Objekts
• Das Fehlen eines Lichtsignals hilft, Neutronensterne auszuschließen

Im Fall von S251112cm erzeugten all diese Elemente ein Bild eines Systems, bei dem einer der Teilnehmer eine untypisch niedrige Masse aufweist. Genau dieses Detail weckte so großes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

Was würde die Bestätigung primordialer Schwarzer Löcher bedeuten?

Sollten weitere Beobachtungen die Interpretation von Cappelluti und Magaraggia unterstützen, erwarten uns eine Reihe von Konsequenzen. Die Kosmologie würde ein Werkzeug zur Untersuchung ultra-früher Epochen erhalten, die viel älter sind als die Periode, aus der die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung stammt. Primordiale Schwarze Löcher würden als Sonden funktionieren, die das Gedächtnis der Bedingungen bewahren, die in den ersten Mikrosekunden der Existenz des Kosmos herrschten.

Die Theorie der Galaxienentstehung würde ebenfalls Anpassungen erfordern. Eine zusätzliche Population dichter kompakter Objekte verändert die Art und Weise, wie sich Materie ansammelt. Sie beeinflusst auch das Wachstum von Dunkle-Materie-Halos und die Bildung der ersten Sterne. Für Teilchenphysiker ist dies ein wichtiges Signal, das andeutet, dass die Suche nach exotischen Teilchen möglicherweise ein kleineres Wirkungsfeld hat, wenn Schwarze Löcher die Hauptrolle spielen.

Wie kann sich das ein gewöhnlicher Mensch vorstellen?

Für Menschen außerhalb wissenschaftlicher Kreise klingen Begriffe wie „Ära der Quantenchromodynamik“ wie pure Abstraktion. Eine einfache Vorstellung hilft. Stellen Sie sich einen Topf mit kochender Suppe vor, in der ständig Blasen aufsteigen und absinken. Im sehr frühen Universum waren ähnliche „Blasen“ Verdichtungen von Materie.

Die meisten von ihnen lösten sich auf, als sich das Universum ausdehnte. Einige könnten jedoch so dicht gewesen sein, dass sie von selbst kollabierten und Schwarze Löcher bildeten. In den folgenden Milliarden Jahren würden solche Objekte nahezu unsichtbar zwischen Galaxien und innerhalb dieser kreisen. Gelegentlich würden sie miteinander kollidieren.

Genau bei diesen seltenen Kollisionen entstehen Gravitationswellen, die heute irdische Detektoren auffangen. Jedes solche Signal funktioniert somit wie eine Postkarte, die aus den ersten Momenten der Existenz des Kosmos versandt wurde.