Unsichtbare "dunkle Materie" im Weltraum zwingt Galaxien zur Entwicklung

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Je länger das Geheimnis der Dunklen Materie ungelöst bleibt, desto exotischere Hypothesen über ihre Natur tauchen auf, darunter die neueste Idee der Vererbung riesiger Schwarzer Löcher aus dem vorherigen Universum.

Um zu wissen, dass etwas existiert, muss man es nicht sehen. So wurden einst nach dem Einfluss der Gravitation auf die Bewegung von Uranus Neptun und Pluto entdeckt, und heute wird nach einem hypothetischen Planeten X am äußersten Rand des Sonnensystems gesucht. Aber was ist, wenn wir überall im Universum einen solchen Einfluss finden? Nehmen wir zum Beispiel Galaxien. Es scheint, dass, wenn sich die galaktische Scheibe dreht, die Geschwindigkeit der Sterne mit zunehmender Umlaufbahn abnehmen sollte. Dies ist zum Beispiel bei den Planeten des Sonnensystems der Fall: Die Erde rast mit 29,8 km / s um die Sonne und Pluto - mit 4,7 km / s. Beobachtungen des Andromeda-Nebels zeigten jedoch bereits in den 1930er Jahren, dass die Rotationsgeschwindigkeit seiner Sterne nahezu konstant bleibt, egal wie weit sie in der Peripherie sind. Diese Situation ist typisch für Galaxien und führte unter anderem zur Entstehung des Konzepts der Dunklen Materie.

Karneval der Probleme

Es wird angenommen, dass wir es nicht direkt sehen: Diese mysteriöse Substanz interagiert praktisch nicht mit gewöhnlichen Teilchen, emittiert oder absorbiert auch keine Photonen, aber wir können sie durch die Gravitationswirkung auf andere Körper bemerken. Beobachtungen der Bewegungen von Sternen und Gaswolken ermöglichen es, detaillierte Karten des Halos aus dunkler Materie zu erstellen, der die Scheibe der Milchstraße umgibt, und spricht über die wichtige Rolle, die er bei der Entwicklung von Galaxien, Haufen und dem gesamten großräumigen Raum spielt Struktur des Universums. Es beginnen jedoch weitere Schwierigkeiten. Was ist diese mysteriöse dunkle Materie? Woraus besteht es und welche Eigenschaften haben seine Teilchen?

Seit vielen Jahren sind WIMPs die Hauptkandidaten für diese Rolle – hypothetische Teilchen, die außer der Gravitation an keiner anderen Wechselwirkungen teilnehmen können. Sie versuchen, sie sowohl indirekt, durch die Produkte seltener Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie, als auch direkt mit leistungsstarken Instrumenten, darunter dem Large Hadron Collider, zu entdecken. Leider gibt es in beiden Fällen keine Ergebnisse.

„Das Szenario, in dem der LHC nur das Higgs-Boson findet und sonst nichts, wird nicht ohne Grund als ‚Albtraum-Szenario‘bezeichnet“, sagt Sabine Hossenfelder, Professorin an der Universität Frankfurt. "Dass keine Anzeichen für eine neue Physik gefunden wurden, dient mir als eindeutiges Signal: Hier stimmt etwas nicht." Auch andere Wissenschaftler nahmen dieses Signal auf. Nach der Veröffentlichung negativer Ergebnisse der Suche nach Spuren dunkler Materie mit dem LHC und anderen Instrumenten wächst das Interesse an alternativen Hypothesen über deren Natur deutlich. Und manche dieser Lösungen sehen noch exotischer aus als der brasilianische Karneval.

Unzählige Löcher

Was ist, wenn WIMPs nicht existieren? Wenn Dunkle Materie Materie ist, die wir nicht sehen können, aber die Auswirkungen ihrer Gravitation sehen, dann sind es vielleicht nur Schwarze Löcher? Theoretisch könnten sie sich in den frühesten Stadien der Entwicklung des Universums in großer Zahl gebildet haben – nicht aus toten Riesensternen, sondern als Ergebnis des Kollapses superdichter und heißer Materie, die den glühenden Raum füllte. Ein Problem: Bisher wurde kein einziges primordiales Schwarzes Loch gefunden, und es ist nicht sicher, ob es sie jemals gegeben hat. Es gibt jedoch genügend andere Schwarze Löcher im Universum, die für diese Rolle geeignet sind.

Beobachtungen der weit entfernten Raumsonde Voyager 1 ergaben keine Spuren von Hawking-Strahlung, was auf das Auftreten urzeitlicher Schwarzer Löcher von mikroskopischer Größe hinweisen könnte. Dies schließt jedoch die Existenz größerer ähnlicher Objekte nicht aus. Seit 2015 hat das LIGO-Interferometer bereits 11 Gravitationswellen registriert, von denen 10 durch Verschmelzungen von Paaren Schwarzer Löcher mit Massen von mehreren zehn Sonnenmassen verursacht wurden. Dies an sich ist äußerst unerwartet, da solche Objekte durch Supernova-Explosionen entstehen und der verstorbene Stern dabei den größten Teil seiner Masse verliert. Es stellt sich heraus, dass die Vorläufer der verschmolzenen Löcher Sterne von wirklich zyklopischer Größe waren, die schon lange nicht mehr im Universum hätten geboren werden sollen. Ein weiteres Problem entsteht durch die Bildung binärer Systeme durch sie. Eine Supernova-Explosion ist ein Ereignis, das so stark ist, dass jedes nahe Objekt weit weggeschleudert wird. Mit anderen Worten, LIGO hat Gravitationswellen von Objekten entdeckt, deren Aussehen ein Rätsel bleibt.

Ende 2018 näherten sich der Astrophysiker des Greenwich Institute of Science and Technology Nikolai Gorkavy und der Nobelpreisträger John Mather solchen Objekten. Ihre Berechnungen zeigten, dass Schwarze Löcher mit Massen von mehreren zehn Sonnenmassen durchaus einen galaktischen Halo bilden können, der für die Beobachtung praktisch unsichtbar bleibt und gleichzeitig alle charakteristischen Anomalien in der Struktur und Bewegung von Galaxien erzeugt. Es scheint, wo an der fernen Peripherie der Galaxie die erforderliche Anzahl von so großen Schwarzen Löchern herkommt? Schließlich werden die meisten massereichen Sterne näher am Zentrum geboren und sterben. Die Antwort von Gorkavy und Mather ist fast unglaublich: Diese Schwarzen Löcher "kamen" nicht, in gewissem Sinne gab es sie schon immer, vom Anfang des Universums an. Dies sind die Überbleibsel des vorherigen Zyklus in einer endlosen Folge von Expansionen und Kontraktionen der Welt.

Die durchgezogene Linie zeigt die reale Umlaufgeschwindigkeit von Sternen und Gas, die das Zentrum der Galaxie umkreisen; gepunktet - zu erwarten, wenn kein Einfluss dunkler Materie vorhanden ist.

Relikte der Wiedergeburt

Im Allgemeinen ist der Big Bounce kein neues, wenn auch unbewiesenes Modell in der Kosmologie, das mit vielen anderen Hypothesen über die Entwicklung des Kosmos vergleichbar ist. Es ist möglich, dass im Leben des Universums die Expansionsperioden tatsächlich durch eine Kontraktion, den "Großen Kollaps" ersetzt werden - und eine neue Bounce-Explosion, die Geburt der Welt der nächsten Generation. Im neuen Modell werden diese Zyklen jedoch von Schwarzen Löchern durchgeführt, die sowohl als dunkle Materie als auch als dunkle Energie fungieren – eine mysteriöse Substanz oder Kraft, die die beschleunigte Expansion unseres Universums verursacht.

Es wird angenommen, dass Schwarze Löcher durch Absorption von Materie und Verschmelzung immer mehr der Gesamtmasse des Universums ansammeln können. Dies sollte zu einer Verlangsamung seiner Expansion und dann zu einer Kontraktion führen. Andererseits geht bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern ein erheblicher Teil ihrer Masse mit der Energie der Gravitationswellen verloren. Daher wird das resultierende Loch leichter sein als die Summe seiner früheren Terme (zum Beispiel wurde die erste von LIGO aufgezeichnete Gravitationswelle geboren, als Schwarze Löcher mit 36 und 29 Sonnenmassen mit der Bildung eines Lochs mit einer Masse von nur „62 Sonnenmassen). So kann das Universum auch Masse verlieren, sich zusammenziehen und sich mit immer größeren Schwarzen Löchern füllen, darunter eines der größten - das zentrale.

Schließlich, nach einer langen Reihe von Verschmelzungen von Schwarzen Löchern, wenn ein erheblicher Teil der Masse des Universums in Form von Gravitationswellen "austritt", beginnt er in alle Richtungen zu streuen. Von außen sieht es aus wie eine Explosion – der Urknall. Im Gegensatz zum klassischen Big Rebound-Bild findet in einem solchen Modell keine vollständige Zerstörung der vorherigen Welt statt, und das neue Universum erbt einige Objekte direkt von den Eltern. Zuallererst sind dies alle die gleichen Schwarzen Löcher, die bereit sind, wieder beide Hauptrollen darin zu spielen - sowohl dunkle Materie als auch dunkle Energie.

Tolle Vormutter

In diesem ungewöhnlichen Bild entpuppt sich Dunkle Materie also als große Schwarze Löcher, die vom Universum an das Universum vererbt werden. Aber wir dürfen das "zentrale" Schwarze Loch nicht vergessen, das sich in jeder dieser Welten am Vorabend ihres Todes bilden und in der nächsten bestehen sollte. Berechnungen von Astrophysikern haben gezeigt, dass seine Masse in unserem heutigen Weltraum unglaubliche 6 x 1051 kg erreichen kann, 1/20 der Masse aller baryonischen Materie, und kontinuierlich zunehmen. Sein Wachstum kann zu einer immer schnelleren Expansion der Raumzeit führen und sich in einer beschleunigten Expansion des Universums manifestieren.

Natürlich sollte das Vorhandensein einer solchen zyklopischen Masse zu merklichen Inhomogenitäten in der großräumigen Struktur des Universums führen. Es gibt bereits einen Kandidaten für eine solche Heterogenität - die astronomische Achse des Bösen. Dies sind relativ schwache, aber sehr alarmierende Anzeichen für die Anisotropie des Universums - die Struktur, die sich darin auf den größten Skalen manifestiert und in keiner Weise mit den klassischen Ansichten über den Urknall und alles, was danach geschah, übereinstimmt.

Nebenbei löst die exotische Hypothese auch ein weiteres astronomisches Rätsel – das Problem des unerwartet frühen Auftretens supermassereicher Schwarzer Löcher. Solche Objekte befinden sich in den Zentren großer Galaxien und haben es auf unbekannte Weise bereits in den ersten 1-2 Milliarden Jahren der Existenz des Universums geschafft, Millionen und sogar Milliarden Sonnenmassen zu gewinnen. Es ist unklar, wo sie im Prinzip so viel Substanz finden könnten, und erst recht, wann sie Zeit haben könnten, sie aufzunehmen. Aber im Rahmen der Idee mit "ererbten" Schwarzen Löchern werden diese Fragen ausgeräumt, weil deren Embryonen aus dem vergangenen Universum zu uns gelangt sein könnten.

Schade, dass Gorkavys extravagante Hypothese noch immer nur eine Hypothese ist. Damit sie zu einer vollwertigen Theorie wird, ist es notwendig, dass ihre Vorhersagen mit Beobachtungsdaten übereinstimmen – und mit solchen, die mit herkömmlichen Modellen nicht erklärt werden können. Natürlich wird es die zukünftige Forschung ermöglichen, die fantastischen Berechnungen mit der Realität zu vergleichen, aber das wird in naher Zukunft offensichtlich nicht passieren. Daher bleiben die Fragen, wo dunkle Materie versteckt ist und was dunkle Energie ist, unbeantwortet.