Die gesamte Dunkle Materie im Universum könnte aus urzeitlichen Schwarzen Löchern bestehen – entstanden aus dem Zusammenbruch von Baby-Universen kurz nach dem Urknall

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Das Kavli Institut für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU) beherbergt viele interdisziplinäre Projekte, die von der Synergie einer breiten Palette von Fachkenntnissen profitieren, die am Institut vorhanden sind. Ein solches Projekt ist die Erforschung von Schwarzen Löchern, die sich im frühen Universum gebildet haben könnten, bevor Sterne und Galaxien entstanden sind.
Solche primordialen Schwarzen Löcher (PBHs) könnten für die gesamte oder einen Teil der dunklen Materie verantwortlich sein, für einige der beobachteten Gravitationswellensignale und als Keimzelle für supermassive Schwarze Löcher im Zentrum unserer Galaxie und anderer Galaxien dienen.

Sie könnten auch eine Rolle bei der Synthese von schweren Elementen spielen, wenn sie mit Neutronensternen kollidieren und diese zerstören, wobei neutronenreiches Material freigesetzt wird.
Insbesondere besteht die spannende Möglichkeit, dass die mysteriöse dunkle Materie, die den größten Teil der Materie im Universum ausmacht, aus primordialen schwarzen Löchern besteht.

Der Physik-Nobelpreis 2020 wurde an den Theoretiker Roger Penrose und die beiden Astronomen Reinhard Genzel und Andrea Ghez für ihre Entdeckungen verliehen, die die Existenz von Schwarzen Löchern bestätigten. Da schwarze Löcher in der Natur bekanntlich existieren, sind sie ein sehr attraktiver Kandidat für dunkle Materie.

Die jüngsten Fortschritte in der Fundamentaltheorie, Astrophysik und astronomischen Beobachtungen auf der Suche nach PBHs wurden von einem internationalen Team von Teilchenphysikern, Kosmologen und Astronomen erzielt, darunter die Kavli IPMU-Mitglieder Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada und Volodymyr Takhistov.
Um mehr über primordiale Schwarze Löcher zu erfahren, suchte das Forscherteam im frühen Universum nach Hinweisen.

Das frühe Universum war so dicht, dass jede positive Dichteschwankung von mehr als 50 Prozent ein Schwarzes Loch erzeugen würde. Es ist jedoch bekannt, dass die kosmologischen Störungen, die zur Entstehung von Galaxien führten, viel kleiner waren. Dennoch könnte eine Reihe von Prozessen im frühen Universum die richtigen Bedingungen für die Entstehung der Schwarzen Löcher geschaffen haben.

Eine aufregende Möglichkeit ist, dass sich primordiale Schwarze Löcher aus den “Baby-Universen” bilden könnten, die während der Inflation entstanden sind, einer Periode schneller Expansion, von der man annimmt, dass sie für die Entstehung der Strukturen verantwortlich ist, die wir heute beobachten, wie Galaxien und Galaxienhaufen.

Während der Inflation können Baby-Universen von unserem Universum abzweigen.

Ein kleines Babyuniversum (oder “Tochteruniversum”) würde schließlich kollabieren, aber die große Menge an Energie, die in dem kleinen Volumen freigesetzt wird, führt zur Bildung eines Schwarzen Lochs.
Ein noch merkwürdigeres Schicksal erwartet ein größeres Baby-Universum.

Wenn es größer als eine kritische Größe ist, erlaubt Einsteins Gravitationstheorie, dass das Baby-Universum in einem Zustand existiert, der für einen Beobachter im Inneren und außerhalb unterschiedlich erscheint.

Ein innerer Beobachter sieht es als ein expandierendes Universum, während ein äußerer Beobachter (wie wir) es als ein schwarzes Loch sieht.

In beiden Fällen werden das große und das kleine Baby-Universum von uns als primordiale Schwarze Löcher gesehen, die hinter ihren “Ereignishorizonten” die zugrundeliegende Struktur von mehreren Universen verbergen. Der Ereignishorizont ist eine Grenze, unterhalb der alles, sogar Licht, gefangen ist und dem Schwarzen Loch nicht entkommen kann.

In ihrer Arbeit beschrieb das Team ein neuartiges Szenario für die Entstehung von PBH und zeigte, dass die Schwarzen Löcher aus dem “Multiversum”-Szenario mit Hilfe der Hyper Suprime-Cam (HSC) des 8,2m Subaru Teleskops gefunden werden können, einer gigantischen Digitalkamera – an deren Management das Kavli IPMU maßgeblich beteiligt war – in der Nähe des 4.200 Meter hohen Gipfels des Mt. Mauna Kea auf Hawaii.

Ihre Arbeit ist eine spannende Erweiterung der HSC-Suche nach PBH, die Masahiro Takada, ein Principal Investigator am Kavli IPMU, und sein Team verfolgen.

Das HSC-Team hat kürzlich führende Hinweise auf die Existenz von PBHs in Niikura gemeldet, Takada et. al. Nature Astronomy 3, 524-534 (2019)
Warum war die HSC für diese Forschung unverzichtbar? Die HSC hat die einzigartige Fähigkeit, die gesamte Andromeda-Galaxie alle paar Minuten abzubilden.

Wenn ein Schwarzes Loch die Sichtlinie zu einem der Sterne durchläuft, biegt die Schwerkraft des Schwarzen Lochs die Lichtstrahlen und lässt den Stern für kurze Zeit heller erscheinen als zuvor.

Die Dauer der Aufhellung des Sterns verrät den Astronomen die Masse des Schwarzen Lochs.

Mit HSC-Beobachtungen kann man hundert Millionen Sterne gleichzeitig beobachten und so ein weites Netz nach primordialen Schwarzen Löchern auswerfen, die möglicherweise eine der Sichtlinien kreuzen.
Die ersten HSC-Beobachtungen haben bereits ein sehr faszinierendes Kandidatenereignis gemeldet, das mit einem PBH aus dem “Multiversum” übereinstimmt, mit einer Masse des Schwarzen Lochs, die mit der Masse des Mondes vergleichbar ist.

Ermutigt durch dieses erste Zeichen und geleitet durch das neue theoretische Verständnis, führt das Team eine neue Runde von Beobachtungen durch, um die Suche auszuweiten und einen definitiven Test zu liefern, ob PBHs aus dem Multiversum-Szenario die gesamte dunkle Materie erklären können.
Referenz: “Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes” von Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takhistov und

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