Auf jedes Kilo gewöhnlicher Materie in Sternen kommen 15 Kilo dunkle Materie, die kein Licht aussendet und die wir nur anhand ihrer Gravitationseffekte erkennen können, aber Schwarze Löcher allein können den Unterschied nicht erklären
Die Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo haben eine Population massiver Schwarzer Löcher entdeckt, deren Ursprung eines der größten Rätsel der modernen Astronomie ist. Einer Hypothese zufolge könnten sich diese Objekte sehr früh im Universum gebildet haben und dunkle Materie bilden, eine mysteriöse Substanz, die das Universum erfüllt. Ein Team von Wissenschaftlern der OGLE-Studie (Optical Gravitational Lensing Experiment) am Astronomischen Observatorium der Universität Warschau hat die Ergebnisse von fast 20 Jahren Beobachtungen bekannt gegeben, die darauf hinweisen, dass solche massiven Schwarzen Löcher höchstens ein paar Prozent der Materie ausmachen können. dunkel Daher ist eine andere Erklärung für die Quellen der Gravitationswellen erforderlich. Die Ergebnisse der Studie wurden in zwei Artikeln veröffentlicht, in Natur und in der Ergänzungsreihe zur Astrophysikalischen Zeitschrift.
Verschiedene astronomische Beobachtungen deuten darauf hin, dass gewöhnliche Materie, die wir sehen oder berühren können, nur 5 % der gesamten Masse und des Energiehaushalts des Universums ausmacht. In der Milchstraße gibt es auf 1 kg gewöhnliche Materie in Sternen 15 kg „dunkle Materie“, die kein Licht aussendet und nur durch ihre Anziehungskraft interagiert.
„Die Natur der Dunklen Materie bleibt ein Rätsel. Die meisten Wissenschaftler glauben, dass es aus unbekannten Elementarteilchen besteht“, sagt Dr. Przemek Mróz vom Astronomischen Observatorium der Universität Warschau, Hauptautor beider Arbeiten. „Leider konnten trotz jahrzehntelanger Bemühungen keine Experimente (einschließlich der mit dem Large Hadron Collider durchgeführten Experimente) neue Teilchen finden, die für die Dunkle Materie verantwortlich sein könnten.“
Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen aus einem Paar verschmelzender Schwarzer Löcher im Jahr 2015 haben die LIGO- und Virgo-Experimente mehr als 90 solcher Ereignisse entdeckt. Astronomen stellten fest, dass die von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher typischerweise deutlich massereicher sind (20–100 Sonnenmassen) als die bisher in der Milchstraße bekannten (5–20 Sonnenmassen).
„Zu erklären, warum diese beiden Populationen von Schwarzen Löchern so unterschiedlich sind, ist eines der größten Rätsel der modernen Astronomie“, sagt Dr. Mróz.
Eine mögliche Erklärung geht davon aus, dass die LIGO- und Virgo-Detektoren eine Population ursprünglicher Schwarzer Löcher entdeckt haben, die sich möglicherweise im sehr frühen Universum gebildet haben. Seine Existenz wurde erstmals vor mehr als 50 Jahren vom berühmten britischen theoretischen Physiker Stephen Hawking und unabhängig davon vom sowjetischen Physiker Jakow Seldowitsch vorgeschlagen.
„Wir wissen, dass das frühe Universum nicht ideal homogen war – kleine Dichteschwankungen führten zur Entstehung der heutigen Galaxien und Galaxienhaufen“, sagt Dr. Mróz. „Ähnliche Dichteschwankungen können, wenn sie einen kritischen Dichtekontrast überschreiten, zusammenbrechen und Schwarze Löcher bilden.“
Schwerkraftlinsen
Seit der ersten Entdeckung von Gravitationswellen spekulieren immer mehr Wissenschaftler, dass diese ursprünglichen Schwarzen Löcher einen erheblichen Teil, wenn nicht sogar die gesamte Dunkle Materie ausmachen.
Glücklicherweise kann diese Hypothese durch astronomische Beobachtungen bestätigt werden. Wir beobachten, dass es in der Milchstraße reichlich dunkle Materie gibt. Wenn es aus Schwarzen Löchern bestehen würde, müssten wir sie in unserer kosmischen Nachbarschaft entdecken können. Ist das möglich, da Schwarze Löcher kein nachweisbares Licht aussenden?
Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie kann sich Licht im Gravitationsfeld massiver Objekte biegen und krümmen, ein Phänomen, das als Gravitationsmikrolinse bezeichnet wird.
„Mikrolinsen entstehen, wenn drei Objekte – ein Beobachter auf der Erde, eine Lichtquelle und eine Linse – nahezu ideal im Raum ausgerichtet sind“, erklärt Andrzej Udalski, Hauptforscher der OGLE-Studie. „Während eines Mikrolinsenphänomens kann das Licht der Quelle gebogen und vergrößert werden, und wir beobachten eine vorübergehende Aufhellung des Lichts der Quelle.“
Die Dauer des Leuchtens hängt von der Masse des Objekts ab: Je größer die Masse, desto länger dauert das Phänomen. Mikrolinsenphänomene, die durch Objekte mit Sonnenmasse verursacht werden, dauern typischerweise mehrere Wochen, während solche, die durch Schwarze Löcher verursacht werden, die 100-mal massereicher als die Sonne sind, einige Jahre anhalten würden.
Die Idee, Gravitationsmikrolinsen zur Untersuchung dunkler Materie zu nutzen, ist nicht neu. Es wurde erstmals in den 1980er Jahren vom berühmten polnischen Astrophysiker Bohdan Paczyński vorgeschlagen. Seine Idee inspirierte den Start von drei großen Experimenten: dem polnischen OGLE, dem amerikanischen MACHO und dem französischen EROS. Erste Ergebnisse dieser Experimente zeigten, dass Schwarze Löcher mit einer Masse von weniger als einer Sonnenmasse weniger als 10 Prozent der Dunklen Materie ausmachen können. Allerdings waren diese Beobachtungen nicht empfindlich gegenüber extrem langzeitskaligen Mikrolinsenereignissen und daher auch nicht empfindlich gegenüber massiven Schwarzen Löchern, wie sie kürzlich mit Gravitationswellendetektoren entdeckt wurden.
In dem neuen Artikel in der Astrophysical Journal Supplement Series präsentieren OGLE-Astronomen die Ergebnisse einer fast 20-jährigen photometrischen Überwachung von fast 80 Millionen Sternen in einer nahegelegenen Galaxie, der Großen Magellanschen Wolke, und der Suche nach Ereignissen gravitativer Mikrolinsen. Die analysierten Daten wurden während der dritten und vierten Phase des OGLE-Projekts von 2001 bis 2020 gesammelt.
„Dieser Datensatz liefert die längsten, umfangreichsten und präzisesten photometrischen Beobachtungen von Sternen in der Großen Magellanschen Wolke in der Geschichte der modernen Astronomie“, sagt Professor Udalski.
Der zweite Artikel, veröffentlicht in Nature, analysiert die astrophysikalischen Konsequenzen der Ergebnisse. „Wenn die gesamte dunkle Materie in der Milchstraße aus 10 Schwarzen Löchern mit Sonnenmasse bestünde, hätten wir 258 Mikrolinsen entdecken sollen“, sagt Dr. Mróz. „Für Schwarze Löcher mit 100 Sonnenmassen erwarteten wir 99 Mikrolinsen. Für 1.000 Schwarze Löcher Sonnenmasse 27 Mikrolinsen.
Im Gegensatz dazu haben OGLE-Astronomen nur 13 Mikrolinsen gefunden. Ihre detaillierte Analyse zeigt, dass sie alle durch bekannte Sternpopulationen in der Milchstraße oder in der Großen Magellanschen Wolke selbst erklärt werden können, nicht durch Schwarze Löcher. „Dies deutet darauf hin, dass massereiche Schwarze Löcher höchstens einen kleinen Prozentsatz der Dunklen Materie ausmachen könnten“, sagt Dr. Mróz.
Detaillierte Berechnungen zeigen, dass Schwarze Löcher mit 10 Sonnenmassen höchstens 1,2 % der Dunklen Materie ausmachen können, solche mit 100 Sonnenmassen 3,0 % der Dunklen Materie und solche mit 1.000 Sonnenmassen höchstens 11 % der Dunklen Materie.
„Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass primordiale Schwarze Löcher keinen signifikanten Anteil der Dunklen Materie ausmachen können und erklären gleichzeitig die beobachteten Verschmelzungsraten Schwarzer Löcher, die von LIGO und Virgo gemessen wurden“, sagt Professor Udalski.
Für die von LIGO und Virgo entdeckten massiven Schwarzen Löcher sind daher andere Erklärungen erforderlich. Einer Hypothese zufolge entstanden sie als Produkt der Entwicklung massereicher Sterne mit geringer Metallizität. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verschmelzung weniger massereicher Objekte in dichten Sternumgebungen, beispielsweise Kugelsternhaufen.
„Unsere Ergebnisse werden jahrzehntelang in den Lehrbüchern der Astronomie stehen“, fügt Professor Udalski hinzu.
REFERENZ
Keine massiven Schwarzen Löcher im Halo der Milchstraße
Bild: Künstlerische Darstellung eines Mikrolinsenereignisses, das durch ein Schwarzes Loch verursacht wurde, das von der Erde aus in der Magellanschen Wolke beobachtet wurde. Das Licht eines in der Wolke befindlichen Hintergrundsterns wird von einem möglichen ursprünglichen Schwarzen Loch (Linse) im galaktischen Halo gebrochen und bei Beobachtung von der Erde aus verstärkt. Durch die Mikrolinse entsteht eine sehr charakteristische Variation der Helligkeit des Hintergrundsterns, wodurch Masse und Entfernung der Linse bestimmt werden können. Bildnachweis: J. Skowron / OGLE. Hintergrundbild der Magellanschen Wolke: generiert mit bsrender, geschrieben von Kevin Loch, unter Verwendung der ESA/Gaia-Datenbank. Bildnachweis: J. Skowron / OGLE. Hintergrundbild der Magellanschen Wolke: generiert mit bsrender, geschrieben von Kevin Loch, unter Verwendung der ESA/Gaia-Datenbank
