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Wissenschaftler vermuten, dass supermassereiche Schwarze Löcher aus dunkler Materie bestehen könnten
Wissenschaftler vermuten, dass supermassereiche Schwarze Löcher aus dunkler Materie bestehen könnten
Anonim

Es gibt zwei bekannte Probleme in Theorien über die Entstehung von Galaxien, die Wissenschaftler seit langem zu lösen versuchen. Neue Forschungen helfen, einen Ansatz für beides zu finden: Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher direkt aus Dunkler Materie bilden könnten. Physiker kommentieren diese Theorie für Forskning.

Dies könnte laut neuer Forschung erklären, wie sich Schwarze Löcher so früh in der Geschichte des Universums gebildet haben.

Es sieht so aus, als ob die meisten Galaxien ein Schwarzes Loch im Zentrum haben.

Die Masse dieser Monster beträgt Hunderttausende und manchmal Milliarden Mal mehr als die Masse eines gewöhnlichen Sterns. Sie verbrauchen Gas und Sterne, die zu nahe kommen.

Schwarze Löcher können entstehen, wenn ein großer Stern stirbt und in sich zusammenfällt. Aber die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, woher die supermassiven Riesen zu Beginn der Geschichte des Universums kamen.

Carlos R. Argüelles von der Argentinischen National University of La Plata hat zusammen mit drei wissenschaftlichen Kollegen die folgende Annahme sorgfältig geprüft: Könnten sich supermassereiche Schwarze Löcher direkt aus Dunkler Materie bilden?

Dunkle Materie

Dunkle Materie ist eine Substanz im Universum, über die wir sehr wenig wissen und deren Volumen wir noch nicht berechnen konnten. Wahrscheinlich ist die Masse dieser unsichtbaren Substanz sechsmal so groß wie die der sichtbaren Substanz des Universums.

Es wurde vermutet, dass dunkle Materie einfach gewöhnliche Atome sind, die schwer zu entdecken sind. Sowie Braune Zwerge und Gas. Die meisten Physiker glauben jedoch, dass dies eine besondere, noch nicht entdeckte Art von Teilchen ist.

Wissenschaftler glauben, dass sich Dunkle Materie wie eine verstreute Blase oder ein Halo um Galaxien befindet und sich auch viel weiter als die äußersten Sterne erstreckt.

„In der Galaxie sehen wir Sterne, aber den größten Teil der Galaxie – nämlich dunkle Materie – sehen wir nicht. Wir nennen dies den Halo der Dunklen Materie“, sagte Torsten Bringmann, Professor an der Universität Oslo, der Dunkle Materie erforscht, gegenüber Forskning.

Dunkle Materie erzeugt zusätzliche Schwerkraft, die die Sterne an ihrer aktuellen Position hält. Auch ein Halo aus Dunkler Materie könnte beispielsweise erklären, warum sich die Milchstraße schneller dreht, als sie sollte.

Dichte Kernwolken

Forscher, die eine neue theoretische Studie veröffentlicht haben, vermuten, dass supermassereiche Schwarze Löcher zu Beginn des Universums direkt aus Dunkler Materie entstanden sind.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Wolken oder Halos aus dunkler Materie manchmal einen dichten Kern haben. Und dieser Kern kann so dicht werden, dass die Materie irgendwann in den Zustand eines supermassiven Schwarzen Lochs kollabiert.

Wissenschaftler spekulieren, dass in kleinen Zwerggalaxien diese kritische Dichte möglicherweise nicht erreicht wurde. In ihnen kann der Kern der Dunklen Materie nur einem Schwarzen Loch ähneln, und der äußere Halo erklärt die beobachteten Rotationskurven solcher Galaxien.

„Dieses Modell zeigt, dass Halos aus dunkler Materie dichte Kerne haben können. Es ist möglich, dass sie eine entscheidende Rolle bei unseren Bemühungen spielen werden, zu verstehen, wie supermassereiche Schwarze Löcher entstehen“, schrieb Carlos R. Argüelles in einer Pressemitteilung.

Früh aufgetaucht

Wissenschaftlern zufolge könnte diese Hypothese erklären, wie sich supermassereiche Schwarze Löcher so früh im Universum bilden konnten.

Einige riesige Schwarze Löcher wurden geschaffen, lange bevor das Universum eine Milliarde Jahre alt war. Im Jahr 2017 berichtete die NASA, dass sie das älteste entdeckte Schwarze Loch entdeckt hatte.Nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall war dieser Riese bereits 800 Millionen Mal größer als die Sonne.

Laut dem Big Norwegian Dictionary gibt es mehrere Annahmen darüber, woraus sie sich gebildet haben könnten. Zum Beispiel aus gewöhnlichen Schwarzen Löchern, einer Art "Samen", die immer mehr Materie anzogen und lange Zeit wuchsen.

Eine andere Hypothese ist, dass mehrere Schwarze Löcher aus Haufen toter Sterne einfach miteinander verschmolzen sind. Auch könnten sich supermassereiche Schwarze Löcher direkt aus kollabierenden Gaswolken zu Beginn des Universums gebildet haben.

„Dieses neue Szenario für ihre Entstehung kann wahrscheinlich eine natürliche Erklärung dafür liefern, wie supermassereiche Schwarze Löcher zu Beginn des Universums erschienen, ohne dass man annehmen muss, dass zuerst Sterne oder einige ‚Samen‘in Form von gewöhnlichen Schwarzen Löchern erschienen, die dann wuchs unrealistisch schnell.", erklärt Arguelles.

Es wurde vorher angenommen

Thorsten Bringmann von der Universität Oslo hat die neue Studie untersucht.

Dies sei nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler vermuteten, dass Dunkle Materie die Quelle supermassereicher Schwarzer Löcher ist, sagte er.

„Sie behauptet, die bisher realistischste Analyse von allen durchgeführt zu haben“, sagt Bringmann. "Wissenschaftler beschreiben die Verteilung von Teilchen der Dunklen Materie und deren Bewegung am Anfang, also wenn Halos oder diese Strukturen entstehen."

Als Ergebnis erhielten sie Halo-Modelle mit einem großen schwarzen Loch in der Mitte.

Forskning: Gibt es einen Unterschied zwischen einem supermassiven Schwarzen Loch aus dunkler Materie und gewöhnlicher Materie?

Thorsten Bringmann: Nein. Dies ist eine der großen Erkenntnisse der Allgemeinen Relativitätstheorie. Ein Schwarzes Loch wird nur durch drei Zahlen beschrieben. Masse, Rotationsgeschwindigkeit und Ladung.

Tatsächlich ist die Ladung auch nicht besonders wichtig, denn wenn sich herausstellt, dass das Schwarze Loch negativ geladen ist, zieht es sofort eine positive Ladung an sich.

„Deshalb beschreiben nur zwei Zahlen ein Schwarzes Loch vollständig. Sie können eine ganze Bibliothek hineinwerfen, und alle Informationen verschwinden und es bleiben nur zwei Zahlen übrig."

Sterile Neutrinos

Bringmann erklärt, dass Wissenschaftler einen recht verbreiteten Kandidaten für dunkle Materie namens sterile Neutrinos ausgewählt haben.

Neutrinos sind schwer fassbare "Geisterteilchen", die kaum mit gewöhnlicher Materie wechselwirken. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Neutrinos schwerere "Brüder" haben könnten, die als sterile Neutrinos bezeichnet werden. Diese hypothetischen Teilchen werden nur durch die Schwerkraft beeinflusst - sie werden nicht mehr von Naturkräften beeinflusst.

Direkt unter der Grenze

Die Forscher schlugen vor, dass die Masse eines solchen Teilchens knapp unter der Grenze liegen sollte, ab der seine Existenz durch Beobachtung ausgeschlossen wurde, sagt Bringmann.

Das sogenannte Standardmodell der Kosmologie, ΛCDM (Lambda-CDM-Modell), beschreibt die Entwicklung des Universums mit Hilfe von Dunkler Energie und „kalter“Dunkler Materie. Viele Leute stimmen diesem Modell zu.

„Die Tatsache, dass dunkle Materie kalt ist, bedeutet nur, dass sie zu Beginn der Bildung der Struktur des Universums keine nennenswerte Geschwindigkeit hat. Es nimmt nur dann Fahrt auf, wenn ein Gravitationspotential vorhanden ist, und die Schwerkraft beschleunigt es“, sagt Bringmann.

Dies setzt ganz am Anfang eine Grenze dafür, wie schnell sich Teilchen bewegen können und wie viel Masse sie haben können.

„Wenn sie sich zu schnell bewegen, wird die Struktur in der Modellierung nicht geformt, was nicht mit dem übereinstimmt, was wir im größeren Maßstab sehen“, sagt Bringmann.

Die Partikel in der Studie sind innerhalb des Modells so schnell oder „heiß“wie möglich.

Würden wir die Eigenschaften der Dunklen Materie völlig willkürlich bestimmen, so Bringmann, würden wir kaum zu einem solchen Ergebnis kommen.

"Aber es ist durchaus möglich."

Eine von vielen möglichen Lösungen

Bringmann erinnert sich, dass es zwei bekannte Probleme in den Theorien der Galaxienentstehung gibt, die Wissenschaftler zu lösen versuchen.

„Wir wissen zum Beispiel, dass es im Zentrum unserer Galaxie – und im Großen und Ganzen im Zentrum aller Galaxien – riesige Schwarze Löcher gibt. Sie werden benötigt, um zu verstehen, wie in einem frühen Stadium der Entwicklung des Universums im Allgemeinen Galaxien entstanden sind.

Aber ein Problem ist, dass niemand wirklich weiß, woher diese Schwarzen Löcher kommen. Wenn Wissenschaftler die Entstehung von Galaxien modellieren, sagen sie meistens nur: "Okay, nehmen wir einfach an, dass riesige Schwarze Löcher von Anfang an existiert haben."

Und wenn danach die Simulation gestartet wird, ist dank leistungsstarker Teleskope alles sehr ähnlich, was wir in der Realität beobachten.

Das zweite Problem wird als „Spitzenproblem“bezeichnet und betrifft die Verteilung der Dunklen Materie in Zwerggalaxien, erklärt Bringmann. Hier stellt sich beim Modellieren nicht ganz das heraus, was erwartet wird. Im Zentrum von Zwerggalaxien wird zu viel Dunkle Materie produziert.

„Bemerkenswerterweise behandelt diese neue Studie beide Probleme mit derselben Beschreibung. Es ist unglaublich interessant“, sagt Bringmann.

Aber es gibt andere Modelle, die helfen können, diese Probleme zu lösen. Wahrscheinlich wird es keinen Konsens darüber geben, welcher von ihnen der Beste ist.

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