Astronomie: Rätsel um Schwarze Löcher: Was haben sie mit Dunkler Materie zu tun?

Die Existenz Schwarzer Löcher war lange umstritten. Inzwischen sind sie nachgewiesen, doch Rätsel geben sie noch immer auf. Entstanden Schwarze Löcher schon kurz nach dem Urknall? Gibt es eins in unserem Sonnensystem? Und gibt es einen Bezug zur mysteriösen Dunklen Materie?

Schwarze Löcher zählen zu den faszinierendsten Objekten im Universum – für Physiker wie für Laien: Ihre Schwerkraft ist so groß, dass ihnen nicht einmal Licht mit seiner Geschwindigkeit von rund 300 000 Kilometern pro Sekunde entkommen kann. Daher sind diese Objekte nicht zu sehen, und deshalb war es auch so schwer, sie nachzuweisen.

Schwarze Löcher können die Entstehung und die Bewegung von Galaxien erklären – und vielleicht sogar noch mehr. In letzter Zeit mehren sich Studien, denen zufolge die Dunkle Materie, nach der Physiker weltweit seit Jahrzehnten fahnden, teilweise oder vollständig aus Schwarzen Löchern bestehen könnte.

Bisher ist das noch Spekulation. Aber neuere Instrumente wie das Ende 2021 gestartete James-Webb-Weltraumteleskop könnten Aufschluss darüber geben, ob es sogenannte primordiale Schwarze Löcher geben könnte – also Schwarze Löcher, die unmittelbar nach dem Urknall entstanden wären, noch vor den ersten Sternen. Dies würde dem aktuellen kosmologischen Standardmodell widersprechen: Demnach entsteht ein Schwarzes Loch, wenn ein massereicher Stern am Ende seiner Existenz in einer Supernova explodiert und sein Kernbereich durch die enorme Schwerkraft kollabiert.

Im Sog der Ewigkeit_Schwarze Löcher

Die theoretische Existenz Schwarzer Löcher ergab sich bereits aus jenen Feldgleichungen, die Albert Einstein (1879-1955) für seine Allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hatte. Kurz nach Veröffentlichung der Theorie entdeckte der deutsche Physiker Karl Schwarzschild (1873-1916) die Möglichkeit solcher massereichen Objekte. Nach ihm ist der Schwarzschild-Radius benannt, der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs, hinter den nicht geblickt werden kann – weil dahinter kein Licht mehr entweicht.

Existenz Schwarzer Löcher war lange umstritten

Doch die Existenz Schwarzer Löcher war in der Astronomie lange umstritten. Inzwischen ist klar, dass sie das Universum bevölkern. Für den Nachweis, dass sich im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße, ein supermassereiches Schwarzes Loch mit 4,3 Millionen Sonnenmassen befindet, erhielt der Astrophysiker Reinhard Genzel 2020 den Physik-Nobelpreis – zusammen mit zwei weiteren Forschern.

Genzel ist skeptisch, dass es primordiale Schwarze Löcher gibt: „Die meisten, mit denen ich spreche, halten sie für sehr unwahrscheinlich.“ Die Möglichkeit sei bereits in den 1970er Jahren diskutiert und damals verworfen worden, sagt der Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching.

Es war der britische Physiker Stephen Hawking, der 1971 und 1974 die Idee der primordialen Schwarzen Löcher darlegte. Schon damals ging es darum, die Bewegung von Galaxien zu erklären. Denn nach den bewährten Gravitationsgesetzen rotieren viele Galaxien in ihren Außenbereichen viel zu schnell. Deshalb spekulierte der Schweizer Physiker Fritz Zwicky schon 1933 über Dunkle Materie, die sich in den Außenbereichen von Galaxien befinde und auf die Schwerkraft des Galaxienzentrums reagiere.

Schwarzes Loch

Hawking suchte nach Beweisen für eine von ihm erdachte Strahlung, die von Schwarzen Löchern ausgesendet wird. Wegen dieser sogenannten Hawking-Strahlung könnten sich – so die Theorie – sehr kleine Schwarze Löcher auflösen und dabei bestimmte Gammastrahlung abgeben. Doch weil gerade diese Strahlung nicht gefunden wurde, verfolgten Astrophysiker seinen Ansatz nicht weiter und arbeiteten stattdessen die Theorie der Dunklen Materie aus.

2015 konnten erstmals Gravitationswellen nachgewiesen werden

Damit können Astrophysiker die Bildung von Sternhaufen und Galaxien hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall erklären. Doch trotz aufwendiger Experimente ist es bisher nicht gelungen, auch nur den Hauch einer Spur von Dunkler Materie zu finden. Dabei ist diese nach dem gegenwärtigen kosmologischen Standardmodell etwa fünf Mal häufiger als die uns bekannte gewöhnliche Materie – aus der etwa Sterne, Planeten und Menschen bestehen.

Mit besseren astrophysikalischen Instrumenten kamen Himmelsbeobachtungen hinzu, die Fragen aufwarfen. 2015 konnten Physiker in den USA erstmals Gravitationswellen nachweisen. Auch sie ergaben sich aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: Gravitationswellen – Kräuselungen der Raumzeit – entstehen, wenn große Massen stark beschleunigt werden. Im Fall der 2015 nachgewiesenen Gravitationswellen war dies die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit jeweils rund 30 Sonnenmassen.

Schwarze Löcher in diesem Massebereich werden jedoch nach dem kosmologischen Standardmodell gar nicht erwartet. Inzwischen wurden auch Gravitationswellen gemessen, die von Schwarzen Löchern mit bis zu 100 Sonnenmassen herrühren könnten. Es sei rätselhaft, wo Schwarze Löcher in diesem Massebereich herkämen, sagt Genzel. Auch dass recht häufig Vereinigungen von Schwarzen Löchern registriert werden, überrascht Physiker.

Für eine Entstehung Schwarzer Löcher schon im sehr jungen Universum sprechen auch Messungen einer Röntgenstrahlung, die typisch ist für die Materie rund um Schwarze Löcher, und deren Rotverschiebung auf ein sehr hohes Alter der Quellen hinweist: Wenn kein Messfehler vorlag, waren die zugehörigen Schwarzen Löcher älter als die frühesten Sterne.

Manche bringen die Entstehung Schwarzer Löcher mit dem Urknall in Verbindung

Ein weiteres Rätsel ist die Entdeckung der ersten Quasare, die bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall Milliarden Sonnenmassen schwer sind. Quasare – quasistellare Radioquellen – sind Radiowellensignale, die von einer rotierenden Scheibe leuchtender Materie stammen, die ein supermassereiches Schwarzes Loch umgibt.

Diese und weitere Beobachtungen brachten Günther Hasinger dazu, sich wieder mit der Theorie der primordialen Schwarzen Löcher zu befassen. Im Hauptberuf ist Hasinger Wissenschaftsdirektor der europäischen Weltraumagentur Esa. Während des ersten Corona-Lockdowns hatte er Zeit, eigene und fremde Beobachtungsdaten durchzusehen und Fachartikel zu primordialen Schwarzen Löchern zu sichten. „Die theoretischen Überlegungen von Bernard Carr, Juan García-Bellido und anderen haben mich überzeugt“, berichtet Hasinger.

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Diese Physiker bringen in ihren Analysen die Entstehung Schwarzer Löcher mit der Bildung von Elementarteilchen unmittelbar nach dem Urknall in Verbindung. Stark vereinfacht besagt ihre Theorie, dass Schwarze Löcher verschiedener Größenklassen entstanden, als das extrem dichte und heiße Universum sich ausdehnte und abkühlte. Bei der Bildung verschiedener Elementarteilchen könnten Schwarze Löcher von der Masse eines Planeten bis hin zur Größenordnung von 100 Millionen Sonnenmassen entstanden sein.

Schwarze Löcher könnten könnten zur Struktur im jungen Universum beigetragen haben

Diese verschieden großen Schwarzen Löcher könnten auf unterschiedliche Weise zur Struktur im jungen Universum beigetragen haben. „Wenn gegen primordiale Schwarze Löcher argumentiert wird, dann wird meistens nur eine einzige Sorte Schwarzer Löcher berücksichtigt“, betont Hasinger.

Hinzu komme, dass primordiale Schwarze Löcher wegen der Gravitation Zusammenballungen bilden, also nicht gleichmäßig im Universum verteilt seien. Der neuen Theorie zufolge müssten Schwarze Löcher viel häufiger sein als bisher angenommen, auch in unserer Milchstraße.

Dazu passen verschiedene Beobachtungen der vergangenen Jahre:

• In der Milchstraße werden immer mehr Schwarze Löcher entdeckt, zuletzt eines in gerade einmal 1000 Lichtjahren Entfernung.
• Kleine Gravitationslinsen – sogenannte Mikrolinsen – sind schwere Objekte, die das Licht dahinterliegender Sterne vergrößern. Einige solche Objekte in der Milchstraße sind nur so massereich wie ein Planet – oder ein kleines Schwarzes Loch.
• Der lange gesuchte Planet X, der vermutlich am Rand unseres Sonnensystems die Bahnen von Zwergplaneten und Asteroiden beeinflusst, könnte Berechnungen zufolge ein Schwarzes Loch von der Größe eines Tennisballs sein.

Mit einem einfachen Modell hat Hasinger errechnet, dass primordiale Schwarze Löcher mit der geschätzten Masse der Dunklen Materie übereinstimmen könnten. All diese Hinweise sind jedoch keine Beweise. Aber der ESA-Direktor ist zuversichtlich, dass neue Instrumente wie das James-Webb-Weltraumteleskop Daten liefern werden, um die Frage zu beantworten.

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Denn das Teleskop soll Infrarotstrahlung aus 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung aufnehmen können. Weil das Licht so lange unterwegs war, sind solche Aufnahmen ein Blick in die Welt vor 13 Milliarden Jahren, also 800 Millionen Jahre nach dem Urknall.

„Wenn wir Galaxien sehen, die früher entstanden sein müssen, als es das kosmologische Standardmodell voraussagt, dann wäre das eine wichtige Unterstützung für die Theorie der primordialen Schwarzen Löcher“, unterstreicht Hasinger. Die kommenden Jahre werden für Astrophysiker also spannend.

Auch wenn Nobelpreisträger Genzel primordiale Schwarze Löcher für unwahrscheinlich hält, so ist er überzeugt, dass es rund um Schwarze Löcher noch viele Geheimnisse zu entdecken gibt: „Vor mehr als 100 Jahren hat Einstein seine Theorie vorgestellt, doch erst seit etwa 20 Jahren ist die Fachwelt von der Existenz Schwarzer Löcher überzeugt – und das ist sicher noch nicht das Ende.“