Wird dunkle Materie aus schwarzen Löchern und Universen gebildet ?

Fast ein Jahrhundert nach Ihrer Vorhersage wurden Gravitationswellen erkannt. Andere über die Allgemeine Relativitätstheorie warten noch darauf, überprüft zu werden. Es handelt sich dabei um die sogenannten primordialen schwarzen Löcher. Sie könnten einen bedeutenden Teil der dunklen Materie ausmachen und vielleicht noch viel mehr, so einige Astrophysiker.

Vor fünf Jahren wurde das hundertjährige bestehen der Entdeckung der endgültigen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie gefeiert, und die Gravitationswellen, die von dieser Theorie vorhergesagt wurden, wurden erstmals direkt auf der Erde entdeckt. Ihr Studium – zusammen mit der Erlangung des ersten Schattenbildes des Horizonts dessen, was tatsächlich ein supermassives Schwarzes Loch zu sein scheint, das von Einsteins Gleichungen, M87*, beschrieben wird-verstärkte die überzeugung, dass sich schwarze Löcher im beobachtbaren Kosmos bilden.

Die Erben Einsteins, die die Physik dieser Objekte erforschten, erhielten daher zu Recht den Nobelpreis für Physik, zuerst Kip Thorne, dann Roger Penrose. Stephen Hawking hätte es zweifellos verdient, ein Teil davon zu sein, aber er starb zu früh, ebenso wie Robert Brout, einer der entdeckertheoretiker des Brout-Englert-Higgs-boson. Es wäre logisch, dass auch Alain Brillet und Thibault Damour in den kommenden Jahren Nobelpreisträger werden.

In der Zwischenzeit warten aber noch viele andere mögliche Konsequenzen aus Einsteins relativistischer Theorie der gravitation auf Ihre Bestätigungen… oder Ihre Widerlegungen, weil es zum Beispiel andere mögliche Theorien gibt, die die Physik einer gekrümmten Raumzeit Regeln. So wird seit Jahrzehnten über die Existenz sogenannter primordialer schwarzer Löcher spekuliert, die durch die urknallphase des Universums hinterlassen wurden.

Mikroskopische und makroskopische primordiale schwarze Löcher

Im Rahmen der relativistischen kosmologischen Modelle, die insbesondere von Georges Lemaître geerbt wurden, musste die « anfängliche » Dichte des beobachtbaren Universums sehr groß sein. Wenn man den Gleichungen glaubt, die versuchen, den Zustand der Materie und des Gravitationsfeldes nahe der ursprünglichen kosmologischen Singularität in der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie zu beschreiben, war das Universum dann sehr turbulent mit chaotischen Schwankungen in der Metrik, die den Zustand des « Gewebes » der Raumzeit auf der einen Seite und damit auch seine Dichte von Materie und Strahlung auf der anderen Seite, wie die Arbeit von Charles Misner (Modell bekannt als Mixmaster Universum) sowie die von Belinsky, Khalatnikov und Lifchitz gezeigt.

Unter diesen höllischen Bedingungen, wenn eine Dichte Schwankung so wird, dass eine gegebene masse unter Ihren Schwarzschild-Radius (den Radius einer gegebenen massenkugel, unter der nicht einmal Licht aus dem von dieser Kugel begrenzten Volumen austreten kann) geht, musste ein Schwarzes Loch entstehen.

Es ist nicht ganz klar, wie viele sich gebildet haben könnten oder von welchen Massen, aber ein breites Spektrum ist möglich, abhängig von den Modellen und der Physik, die verwendet wird, um diese sehr primitive phase des beobachtbaren Kosmos zu beschreiben (inflation, schleifenquantenkosmologie usw.). Theoretisch könnten Sie Massen haben, die so niedrig sind wie die Planck-masse (Mp=10-5 g), aber auch weit darüber hinaus, zum Beispiel 105 Sonnenmassen, und die als Keime für die Bildung von supermassiven schwarzen Löchern dienen könnten.

Besonders interessant ist der Fall der schwarzen minitrous. Sie hätten Massen, die viel niedriger sind als die eines Sterns wie der Sonne und sogar die des Mondes. Diese schwarzen minitrous, aber auch die anderen ursprünglichen schwarzen Löcher sind theoretische Objekte, mit denen Stephen Hawking sich ab 1971 besonders beschäftigt hat, basierend auf den 1967 veröffentlichten arbeiten von Yakov Zeldovich und Igor Novikov, zwei großen Führern der Russischen Astrophysik und der relativistischen kosmologie.

Die leichtesten dieser schwarzen minitrous könnten heute durch Hawking-Effekt quantisch verdampfen. Dieses Phänomen wird noch nicht beobachtet, was bedeutet, dass es entweder keine Hawking-Strahlung gibt, was sehr unwahrscheinlich erscheint, oder dass der primitive Kosmos tatsächlich schwach turbulent war und nur wenige schwarze minitrous gebildet hat.

Als jedoch die Existenz der dunklen Materie ernsthaft in Betracht gezogen wurde, zum Teil als Folge der Arbeit des Nobelpreisträgers für Physik James Peebles, wurde Sie ganz natürlich erklärt, indem Sie diese ursprünglichen schwarzen Löcher einbezog. Die ganze dunkle Materie, oder nur ein Teil, konnte daraus gebildet werden.

Aber wie kann man diese Theorie testen ?

Wie bereits erwähnt, konnte man bereits versuchen, schwarze minitrous zu entdecken, die besonders heiß und glänzend gemacht wurden und durch Hawking-Strahlung verdampfen, besonders in der Endphase, die zu Ihrem vollständigen verschwinden mit einem gammastrahlenwall führt. Aber man konnte auch versuchen, urschwarzlöcher durch gravitationslinseneffekte allgemeiner hervorzuheben, um so größer, als die masse des kompakten Objekts, das zwischen einem Stern und einem Teleskop auf der Erde liegt, hoch ist und zu einer vorübergehenden Zunahme der Brillanz des Sterns führt, der es ist.

In den letzten Jahrzehnten haben diese Arten von beobachtungskampagnen dazu geführt, dass die Populationen der ursprünglichen schwarzen Löcher und Ihre Massen immer stärker eingeschränkt werden. Andere Beobachtungen, z.B. durch die Analyse des Cosmic Microwave Background (CMB), haben die Parameter eines konfigurationsraums, der die Populationen von schwarzen minitrous nach einer Massenverteilung und im Vergleich zu dem Teil dunkler Materie darstellt, den Sie bilden könnten, weiter eingeschränkt.

Das Mindeste, was man sagen kann, ist, dass die Annahme, dass diese kompakten Objekte tatsächlich einen großen Teil der dunklen Materie ausmachen, immer schwieriger zu stützen ist, und man könnte sogar sagen, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass dies nicht der Fall ist. Man kann sich davon überzeugen mit den folgenden Schemata, die zeigen, dass ein schmales Fenster im Massenspektrum zwischen 10-15 und 10-10 mal der Masse der Sonne erlaubt bleibt. Aber wir haben wirklich Schwierigkeiten, ein Spektrum von Massen aus dem Urknall zu erzeugen, das nicht « ausgebreitet »wird.

Die Perspektiven zu all diesen Themen wurden jedoch gerade mit einem Artikel in Physical Review Letters erneuert, der auf arXiv frei zugänglich ist. Es stammt von einem überwiegend japanischen Team von Astrophysikern am Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe und stützt sich auf Beobachtungen, die bereits in Naher Zukunft mit dem Hyper Suprime-Cam (HSC) – instrument, das das Subaru-Teleskop ausstattet, gemacht oder möglich sind.

Die Forscher verwenden auch ein inflationsszenario, in dem nicht ein, sondern zwei Skalare Felder ähnlich dem des Brout-Englert-Higgs-boson für eine sehr kurze, aber unglaublich schnelle Expansionsphase der Raumzeit verantwortlich waren, vermutlich als der beobachtbare Kosmos nur etwa 10-35 s alt war, während das quantenvakuum eine sehr große Energiedichte V besaß.

Blasen im quantenvakuum

Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Intensität der skalarfelder. Sie war in noch älteren Zeiten des Universums null und begann dann schnell zu wachsen. Wenn wir diese Felder noch heute um uns herum als eine Art Flüssigkeit betrachten können, dann sind diese primitiven null-Wert-Felder das äquivalent eines Gases, in dem flüssigkeitsblasen erscheinen. Eines der Felder ist das Feld, das am meisten für eine ultraschnelle Ausdehnung des Kosmos verantwortlich ist, und wenn es sich stark verlangsamt hat, hat es mehrere Blasen hinterlassen, von denen eine unser gegenwärtiges Universum enthält. Über dem hinaus, was für uns beobachtbar ist, würden sich dann andere Blasen mit möglicherweise unterschiedlichen Partikeln und Kräften ausdehnen und eine mögliche Form von Multiversum verwirklichen.

Aber neu ist, dass zumindest in der Blase, die wir besetzen, kleinere Blasen mit einer großen Energiedichte, die durch das zweite skalarfeld erzeugt wird, tatsächlich durch schwarze minitrous kollabiert wären. Bemerkenswert ist, dass einige von Ihnen durch den Zusammenbruch zurückprallen und sich wieder ausdehnen konnten, wie es eine kleine Blase tun würde, die aus einem expandierenden ballon knospte. Aber aus der Sicht der äußeren Beobachter, das heißt wir, würden diese sich ausdehnenden Universen uns immer noch wie schwarze Löcher erscheinen.

Es ist schwer zu sagen, ob diese Universen Babys wirklich makroskopische Dimensionen erreichen, aber das ist nicht ausgeschlossen. Sie könnten durch eine Art Wurmloch mit unserem verbunden sein, aber Sie könnten sich auch davon trennen, wenn die Raum-Zeit-Röhre, die Sie mit Ihrem elternuniversum verbindet, sich so festklemmt, dass eine Trennung Eintritt. Diese Ideen sind nicht ganz neu, Stephen Hawking hatte Sie zusammen mit anderen in den 1980er Jahren im Rahmen der sogenannten « Baby Universen » – Theorie erforscht.

Nach Ansicht der japanischen Forscher erlaubt die betrachtete Theorie gerade die Produktion von schwarzen minitrous in großen Mengen in der noch erlaubten Region, insbesondere durch frühere Beobachtungen mit dem Subaru-Teleskop, die es noch unwahrscheinlicher gemacht hatten, das Rätsel der dunklen Materie mit urschwarzem schwarzem Loch lösen zu können. Diese schwarzen Löcher hätten also Massen, die kleiner sind als die des Mondes, aber größer sind als die der Berge auf der Erde.

Als Bonus würde das neue Massenspektrum von primordialen schwarzen Löchern genug Keime in Form von schwarzen Löchern von mittleren Massen erzeugen, die wachsen werden, um die Existenz von supermassiven schwarzen Löchern sowie die abnormal massiven binären schwarzen Löcher zu erklären, die Ligo entdeckt hat.

Man sollte in den kommenden Jahren mehr wissen, denn DAS lsst-Teleskop ist ein Instrument der Wahl, um Gravitations-Mikrolinsen-Effekte zu erkennen, wie es bei Subaru der Fall ist, der Sie weiter jagt. Aber man kann nichts über die Existenz eines Multiversums sagen.

Sind schwarze Löcher der Ursprung neuer Universen ?

Die Gleichungen der Quantengravitation mit Schleifen, die bei der Geburt des Universums angewendet werden, scheinen einen vorurknall und eine Abwesenheit von anfänglicher Singularität vorherzusagen. Neue Berechnungen, die in einem schwarzen Loch angewendet werden, führen zu einer ähnlichen Schlussfolgerung : schwarze Löcher würden andere Universen verursachen, die mit unserem verbunden sind.

Die Physik und kosmologie des Zwanzigsten Jahrhunderts wurden von zwei wichtigen Theorien dominiert: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Leider stehen diese beiden Theorien, die eine das unendlich große und die andere das unendlich kleine beschreiben, im Widerspruch, wenn man versucht, Sie gleichzeitig in zwei Situationen anzuwenden, in denen Sie eingreifen müssen : im inneren eines schwarzen Lochs und am Anfang des Universums. In beiden Fällen werden Raumregionen betrachtet, die kleiner sind als ein Elementarteilchen und mit einer kolossalen Raum-Zeit-Krümmung.

Eine Idee, die bereits in den späten 1950er Jahren vorgeschlagen wurde, geht davon aus, dass eine quantenverarbeitung der Raum-Zeit-geometrie, ähnlich wie die Quantenmechanik den Zusammenbruch eines Elektrons auf dem Kern eines atoms Stoppt und diskrete Energieniveaus erzeugt, den Kollaps der Materie in einem schwarzen Loch vermeiden und die Singularität, die durch die Gleichungen der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird, auslöschen würde. Da die Ausdehnung des Universums im Rahmen der Urknalltheorie dem Zusammenbruch eines Sterns sehr ähnlich ist, aber mit dem umgekehrten Zeitgefühl, wird erwartet, dass auch hier die Singularität der Raum-Zeit, die durch einen unendlichen Wert der Krümmung und eine unendliche Dichte an Materie gekennzeichnet ist, verschwinden wird.

Vor kurzem, indem eine der möglichen theorien zur vereinigung der gesetze der gravitation: Einstein und die quantenmechanik, der gravitation, quanten-schleifen-oder Loop Quantum Gravity (LQG), Martin Bojowald hatte verlängert noch weiter auf die arbeit seiner kollegen durch die anwendung der LQG das problem des Big Bang.

Seine arbeiten in der quantenkosmologie zeigten nämlich, dass eine vereinfachte und lösbare Form der Lqg-Gleichungen die ursprüngliche Singularität des Urknalls effektiv eliminierte. Man konnte sogar von einem « vor dem Urknall » sprechen, der aus einem endlosen Zyklus von Expansionen und Kontraktionen Bestand.

Wie andere haben Christian Böhmer und Kevin Vandersloot die analogie, die geometrie der inneren Raumzeit eines schwarzen Lochs und die geometrie eines expandierenden Universums, verwendet, um die neuen Techniken der LQG anzuwenden, um zu versuchen, besser zu verstehen, was mit Materie und Raumzeit in einem schwarzen Loch geschieht.

Eine Raum-Zeit, die nicht kontinuierlich wäre

Auch hier ist die Grundidee eine Veränderung der Raum-Zeit-geometrie, die unaufdringlich wird. Wie Lee Smolin und Carlo Rovelli gezeigt haben, im jahr 1995, es erscheint in der LQG ebenso wie in der quantenmechanik operatoren, um die physikalischen variablen. Wie man sich mit quantengeometrie beschäftigt, hat man es sofort mit Oberflächen-und volumenoperatoren zu tun, die die Werte begrenzen, die diese Größen annehmen können, wenn man Sie auf ein kosmologisches Modell oder ein Schwarzes Loch anwendet.

Im obigen Diagramm wurde das Spektrum dieser Operatoren dargestellt und mit dem eines Wasserstoffatoms verglichen. Der Begriff Spektrum erinnert daran, dass die diskreten Werte der Energie eines Elektrons in einem Atom für das rochenartige Lichtspektrum verantwortlich sind, das es absorbiert oder emittiert. Analog dazu spricht man in der Quantenmechanik von einem Spektrum für alle Werte, die eine physikalische Größe annehmen kann. Bei diesem Schema ist zu bemerken, dass das Spektrum zu einer kontinuierlichen Verteilung neigt, wenn man große Werte der Energie oder des Volumens betrachtet (Bohr-entsprechungsprinzip). Wenn man also näher an die makroskopische Welt herankommt, verblasst die quantengranularität und eine kontinuierliche, Ungefähre Beschreibung wird immer genauer.

Zwei mögliche Entwicklungen für geometrie und Materie in einem schwarzen Loch ?

Durch die Umsetzung der Näherungen und numerischen Berechnungen von Martin Bojowald fanden die beiden Forscher heraus, dass die innere geometrie eines schwarzen Lochs auf zwei, ebenfalls überraschende Weise verändert werden konnte.

Im ersten Fall bildet sich eine Art Wurmloch, das das innere des schwarzen Lochs mit einem anderen schwarzen verbindet. Eine ähnliche Lösung war bereits in der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie bekannt, Sie kann sogar als Brücke zwischen zwei Universen interpretiert werden. Aber hier wurde die Singularität zwischen den beiden schwarzen Löchern beseitigt, ohne auch nur exotische Energie einzubeziehen, wie im Fall der Lösung Traversable Wurmloch, die Kip Thorne Mitte der 1980er Jahre entdeckte. Die quantennatur der Raumzeit führt automatisch eine abstoßende Kraft ein, die die klassische Singularität glättet, die verschwindet.

Im zweiten, vielleicht faszinierendsten Fall ändert sich die innere Metrik in die eines echten Universums mit einem Volumen, das unendlich sein kann, auch wenn dies zu einem endlichen äußeren Volumen für den Beobachter außerhalb des schwarzen Lochs führt. Die Gefundene Lösung, die dieses Universum beschreibt, ähnelt einer sogenannten Nariai-Lösung mit einer kosmologischen Konstante und einer globalen elektrischen Ladung für dieses kosmologische Modell, das vor langer Zeit in der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie entdeckt wurde.

Diese Ergebnisse sind bedeutende Fortschritte, aber es sind immer noch nur Annäherungen von quantengravitationsberechnungen. Man kann davon ausgehen, dass Sie ein generisches Verhalten darstellen und dass die daraus resultierenden Schlussfolgerungen an dem Tag, an dem vollständige Berechnungen durchgeführt werden können, nicht wesentlich verändert werden. Es ist jedoch interessant zu sehen, dass die LQG wieder ähnliche ergebnisse zu denjenigen, die von Gabriele Veneziano, Maurizio Gasperini und Thibault Damour im rahmen der ansätze des pre-Big-Bang mit supersaiten. Auch hier könnte das innere eines schwarzen Lochs ein anderes Universum hervorbringen.

In beiden Fällen, wenn ein grenzzustand der hohen Dichte von Materie und der Krümmung der Raumzeit erreicht wird, wird der Zusammenbruch durch das auftreten einer abstoßenden Kraft gestoppt, und ein anderes expandierendes Universum entsteht aus unserem durch Knospung, ähnlich wie eine kleine Blase, die auf die Oberfläche eines Ballons Anschwellen würde, um schließlich zwei verschiedene Universen zu schaffen, die durch eine kleine Verbindung verbunden sind.

Wie Lee Smolin in den 1990er Jahren vorgeschlagen hat, könnten sich die beiden Haupt-und konkurrierenden Theorien für die Quantengravitation, LQG und die Theorie der supercordes, durchaus ergänzen.

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