Sind Schwarze Löcher und Dunkle Materie dasselbe? Astrophysiker kippen Lehrbuchinterpretationen

Diese Animation zeigt eine künstlerische Darbietung der bewölkten Struktur, die durch eine Studie von Daten des russischen Satelliten X-Ray Timing Explorer der NASA enthüllt wurde. Bildnachweis: Wolfgang Stephen, UNAM

Inverted Textbook Interpretations, Astrophysiker der University of Miami, Yale UniversitätDie Europäische Weltraumorganisation (ESA) geht davon aus, dass urzeitliche Schwarze Löcher für die gesamte dunkle Materie im Universum verantwortlich sind.

Ein Team von Astrophysikern schlägt ein alternatives Modell für das Aussehen des Universums vor, das besagt, dass alle Schwarzen Löcher – von stecknadelkopfkleinen bis hin zu denen, die Milliarden von Kilometern umfassen – unmittelbar danach entstanden sind die große Explosion Und berechne die ganze dunkle Materie.

Dies ist der Inhalt einer Studie von Astrophysikern der University of Miami, der Yale University und der European Space Agency, die darauf hindeutet, dass Schwarze Löcher seit Anbeginn des Universums existieren und dass diese urzeitlichen Schwarzen Löcher unerklärlich dunkel sein können. Thema. Wenn sich die Daten aus der Veröffentlichung einer Datei in diesem Monat als richtig erweisen James Webb WeltraumteleskopDie Entdeckung könnte das wissenschaftliche Verständnis der Ursprünge und der Natur zweier kosmischer Mysterien verändern: Dunkle Materie und Schwarze Löcher.

sagte Nico Cappelluti, außerordentlicher Professor für Physik an der University of Miami und Erstautor der Studie, die in . veröffentlicht wird Astrophysikalisches Journal.

“Dies wird mehrere wichtige Auswirkungen haben”, fuhr Capelloti fort, der dieses Jahr seine Forschungen erweiterte, die er an der Yale University als Postdoc am Yale Center for Astronomy and Astrophysics begonnen hatte. Erstens bräuchten wir keine “neue Physik”, um die Dunkle Materie zu erklären. Darüber hinaus wird uns dies helfen, eine der dringendsten Fragen der modernen Astrophysik zu beantworten: Wie konnten supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell wachsen? Angesichts der Mechanismen, die wir heute im modernen Universum beobachten, hatten sie nicht genug Zeit, um sich zu bilden. Dies würde auch das seit langem bestehende Rätsel lösen, warum die Masse einer Galaxie immer proportional zu der einer supermassiven ist. Schwarzes Loch mittendrin.”

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Dunkle Materie, die nie direkt beobachtet wurde, ist vermutlich der größte Teil der Materie im Universum und dient als Säule, auf der sich Galaxien bilden und entwickeln. Andererseits wurden Schwarze Löcher beobachtet, die in den Zentren der meisten Galaxien zu finden sind. Ein Punkt im Raum, an dem eine Substanz stark komprimiert wird, erzeugt eine starke Schwerkraft.

Die neue Studie, die von Priyamvada Natarajan, Professor für Astronomie und Physik an der Yale University, und Gunther Hasinger, Wissenschaftsdirektor der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), gemeinsam verfasst wurde, legt nahe, dass sogenannte primordiale Schwarze Löcher aller Größen die gesamte Schwarze Materie darstellen . im Universum.

Haben sich Schwarze Löcher direkt nach dem Urknall gebildet?

Wie entstehen supermassereiche Schwarze Löcher? Was ist dunkle Materie? In einem alternativen Modell der Entstehung des Universums im Vergleich zur “Lehrbuch”-Geschichte des Universums schlug ein Team von Astronomen vor, dass beide kosmischen Rätsel durch sogenannte “ursprüngliche Schwarze Löcher” erklärt werden könnten. In der Grafik liegt der Fokus auf dem Vergleich des Zeitpunkts des Erscheinens der ersten Schwarzen Löcher und Sterne, nicht dass es im Standardmodell keine Schwarzen Löcher gibt. Bildnachweis: ESA

„Schwarze Löcher unterschiedlicher Größe sind immer noch ein Rätsel“, erklärte Hasinger. “Wir verstehen nicht, wie supermassereiche Schwarze Löcher in der relativ kurzen Zeit seit der Existenz des Universums so massiv werden können.”

Ihr Modell modifiziert eine von Hawking und seinem Physikerkollegen Bernard Carr vorgeschlagene Theorie, die argumentierten, dass in der ersten Millisekunde nach dem Urknall kleine Schwankungen der Dichte des Universums eine wellige Landschaft mit “klumpigen” Regionen mit überschüssiger Masse erzeugt haben könnten. Diese klumpigen Regionen werden zu Schwarzen Löchern kollabieren.

Diese Theorie hat keine wissenschaftliche Bedeutung erlangt, aber Capilotti, Natarajan und Hasinger schlagen vor, dass sie mit einigen geringfügigen Modifikationen wahr sein könnte. Ihr Modell zeigt, dass sich im frühen Universum die ersten Sterne und Galaxien um Schwarze Löcher gebildet haben. Sie schlugen auch vor, dass urzeitliche Schwarze Löcher die Fähigkeit gehabt hätten, zu supermassereichen Schwarzen Löchern zu wachsen, indem sie sich von Gas und Sternen in ihrer Nähe ernähren oder mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen.

Primordiale Schwarze Löcher, falls vorhanden, könnten die Keime sein, aus denen alle supermassiven Schwarzen Löcher, einschließlich derer im Zentrum Milchstraßesagte Natarajan. „Was ich persönlich sehr spannend an dieser Idee finde, ist, wie elegant sie die beiden herausfordernden Probleme, an denen ich arbeite – die Erforschung der Natur der Dunklen Materie sowie die Entstehung und das Wachstum von Schwarzen Löchern – vereint und sie auf einen Schlag löst.“

Primordiale Schwarze Löcher könnten auch ein weiteres kosmisches Rätsel lösen: ein Überschuss an Infrarotstrahlung, synchronisiert mit Röntgenstrahlung, die von weit entfernten und schwachen Quellen, die im ganzen Universum verstreut sind, entdeckt wird. Die Studienautoren sagten, dass das Wachstum urzeitlicher Schwarzer Löcher “genau” die gleiche Strahlungssignatur aufweisen würde.

Das Beste von allem ist, dass die Existenz von urzeitlichen Schwarzen Löchern in naher Zukunft dank des Webb-Teleskops, das vor Ende des Jahres von Französisch-Guayana aus starten soll, und des von der ESA (LISA) geleiteten SpaceX-Laserinterferometers . bewiesen oder widerlegt werden kann Antenne für die 2030er Jahre geplant. .

Entwickelt von NASAund ESA und die Canadian Space Agency zum Erfolg Hubble-WeltraumteleskopWebb kann mehr als 13 Milliarden Jahre zurückblicken. Wenn Dunkle Materie aus urzeitlichen Schwarzen Löchern bestünde, könnte es im frühen Universum mehr Sterne und Galaxien geben, und genau das könnte eine kosmische Zeitmaschine sehen.

“Wenn die ersten Sterne und Galaxien tatsächlich im sogenannten dunklen Zeitalter entstanden sind, sollte Webb Beweise dafür finden können”, sagte Hasinger.

In der Zwischenzeit wird LISA in der Lage sein, Gravitationswellensignale von frühen Verschmelzungen urzeitlicher Schwarzer Löcher aufzufangen.

Weitere Informationen zu dieser Forschung finden Sie unter Schwarze Löcher können dunkle Materie sein – und gibt es möglicherweise seit Anbeginn des Universums.

Referenz: „Exploring the High Redshift PBH-ΛCDM Universe: Early Black Hole Seeding, First Stars and Cosmic Radiation Backgrounds“ von N. Cappelluti, G. Hasinger und P. Natarajan, Angenommen, Astrophysikalisches Journal.
arXiv: 2109.08701

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