Römisches Teleskop sucht nach ursprünglichen Schwarzen Löchern

NASANancy Grace Römisches Weltraumteleskop Es könnte bisher unentdeckte „federleichte“ Schwarze Löcher offenbaren, deren Massen denen der Erde ähneln. Diese ursprünglichen Schwarzen Löcher, die sich zu Beginn des Universums bildeten, könnten einen großen Einfluss auf unser Verständnis der Astronomie und Teilchenphysik haben und möglicherweise einen Teil der Dunklen Materie im Universum erklären.

Astronomen haben Schwarze Löcher mit Massen entdeckt, die von einigen Sonnenmassen bis zu mehreren zehn Milliarden reichen. Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern vorhergesagt, dass das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA in der Lage sein wird, eine Klasse von „federleichten“ Schwarzen Löchern zu finden, die bisher ihrer Entdeckung entgangen sind.

Heutzutage entstehen Schwarze Löcher entweder durch den Kollaps eines massereichen Sterns oder durch die Verschmelzung massereicher Objekte. Wissenschaftler vermuten jedoch, dass sich in den ersten chaotischen Momenten des frühen Universums kleinere „ursprüngliche“ Schwarze Löcher gebildet haben könnten, darunter einige mit erdähnlichen Massen.

„Die Entdeckung einer Population ursprünglicher Schwarzer Löcher mit Erdmasse wäre ein erstaunlicher Schritt sowohl für die Astronomie als auch für die Teilchenphysik, da diese Objekte durch keinen bekannten physikalischen Prozess entstanden sein können“, sagte William DiRocco, Postdoktorand an der UC Santa Fe. Cruz, der eine Studie darüber leitete, wie die Römer sie entdeckten. Ein Papier, das die Ergebnisse beschreibt Es wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Untersuchung d. „Wenn wir sie finden, wird das das Gebiet der theoretischen Physik aufrütteln.“

Die Entdeckung ursprünglicher Schwarzer Löcher mit Erdmasse mithilfe des römischen Weltraumteleskops der NASA könnte unser Verständnis des Universums und der Dunklen Materie verändern. Quelle: NASA Goddard Space Flight Center

Ursprüngliches Rezept für ein Schwarzes Loch

Die kleinsten Schwarzen Löcher, die sich heute bilden, entstehen, wenn einem massereichen Stern der Treibstoff ausgeht. Sein äußerer Druck nimmt mit abnehmender Kernfusion ab, so dass die innere Schwerkraft das Tauziehen gewinnt. Der Stern zieht sich zusammen und kann so dicht werden, dass er… schwarzes Loch.

Allerdings ist eine Mindestmasse erforderlich: mindestens das Achtfache der Masse unserer Sonne. Die helleren Sterne werden entweder zu Weißen Zwergen oder zu Neutronensternen.

Allerdings könnten die Bedingungen im sehr frühen Universum die Bildung viel leichterer Schwarzer Löcher ermöglicht haben. Eine Person mit der Masse der Erde hätte einen Ereignishorizont – den Punkt, an dem es für herabfallende Objekte kein Zurück mehr gibt –, der ungefähr der Breite eines US-Cents entspricht.

Wissenschaftler glauben, dass das Universum gerade als das Universum geboren wurde, eine kurze, aber intensive Phase durchlief, die als Inflation bekannt ist und in der sich der Weltraum schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnte. Unter diesen besonderen Bedingungen könnten Regionen, die dichter als die umliegenden Regionen waren, kollabiert sein und urzeitliche Schwarze Löcher geringer Masse gebildet haben.

Während die Theorie vorhersagt, dass die kleinsten Exemplare verdampfen müssten, bevor das Universum sein heutiges Alter erreicht, hätten diejenigen mit erdähnlichen Massen überlebt.

Die Entdeckung dieser kleinen Objekte wird große Auswirkungen auf die Physik und Astronomie haben.

„Dies wird sich auf alles auswirken, von der Entstehung von Galaxien über den Gehalt an dunkler Materie im Universum bis hin zur kosmischen Geschichte“, sagte Kailash Sahu, ein Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore, der nicht an der Studie beteiligt war. „Die Bestätigung ihrer Identität wird harte Arbeit sein und die Astronomen werden viel Überzeugungsarbeit brauchen, aber es wird sich lohnen.“

Stephen Hawking stellte die Hypothese auf, dass sich Schwarze Löcher langsam zusammenziehen könnten, wenn Strahlung entweicht. Der langsame Austritt dessen, was heute als Hawking-Strahlung bekannt ist, wird mit der Zeit dazu führen, dass das Schwarze Loch einfach verdampft. Diese Infografik zeigt die geschätzten Lebenszeiten und Ereignishorizonte – den Punkt, ab dem fallende Objekte der Schwerkraft eines Schwarzen Lochs nicht mehr entkommen können – sowie die Durchmesser von Schwarzen Löchern unterschiedlicher kleiner Massen. Quelle: NASA Goddard Space Flight Center

Hinweise von versteckten Hausbesitzern

Beobachtungen haben bereits Hinweise darauf ergeben, dass solche Objekte in unserer Galaxie lauern könnten. Ursprüngliche Schwarze Löcher mögen unsichtbar sein, aber Falten in der Raumzeit haben dazu beigetragen, einige potenzielle Verdächtige zu fangen.

Mikrolinsen sind ein Beobachtungseffekt, der durch das Vorhandensein von Masse verursacht wird, die das Raum-Zeit-Gefüge verzerrt, wie der Abdruck, den eine Bowlingkugel hinterlässt, wenn sie auf ein Trampolin gelegt wird. Immer wenn aus unserer Sicht ein Objekt in der Nähe eines Hintergrundsterns zu driften scheint, muss das Licht des Sterns die verzerrte Raumzeit um das Objekt herum durchqueren. Wenn die Ausrichtung besonders nah ist, kann das Objekt als natürliche Linse wirken und das Licht des Hintergrundsterns bündeln und verstärken.

Verschiedene Gruppen von Astronomen fanden es anhand von Daten von MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – einer Zusammenarbeit, die Mikrolinsenbeobachtungen unter Verwendung des Mount John University Observatory in Neuseeland durchführt – und OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Eine unerwartet große Anzahl isolierter Objekte mit Erdmasse.

Theorien der Planetenentstehung und -entwicklung sagen bestimmte Massen und Häufigkeiten von Schurkenplaneten voraus – Welten, die ohne Verbindung zu einem Stern durch die Galaxie streifen. MOA- und OGLE-Beobachtungen deuten darauf hin, dass mehr erdmassereiche Objekte durch die Galaxie treiben, als Modelle vorhersagen.

Das Konzept dieses Künstlers verfolgt einen fantasievollen Ansatz zur Vorstellung winziger ursprünglicher Schwarzer Löcher. Tatsächlich hätten solche kleinen Schwarzen Löcher Schwierigkeiten, die Akkretionsscheiben zu bilden, die sie hier sichtbar machen. Quelle: NASA Goddard Space Flight Center

„Es gibt keine Möglichkeit, im Einzelfall zwischen Schwarzen Löchern mit der Masse der Erde und Schurkenplaneten zu unterscheiden“, sagte DiRocco. Wissenschaftler gehen jedoch davon aus, dass Roman eine Reihe von Objekten in diesem Massenbereich finden wird, die zehnmal größer sind als bodengestützte Teleskope. „Roman wäre sehr gut darin, die beiden statistisch zu unterscheiden.“

DiRocco leitete die Bemühungen, herauszufinden, wie viele Schurkenplaneten in diesem Massenbereich vorhanden sein müssten und wie viele ursprüngliche Schwarze Löcher die Römer zwischen ihnen unterscheiden konnten.

Das Auffinden ursprünglicher Schwarzer Löcher würde neue Informationen über das sehr frühe Universum liefern und würde stark darauf hindeuten, dass bereits eine frühe Inflationsphase stattgefunden hatte. Es könnte auch einen kleinen Prozentsatz der mysteriösen Dunklen Materie erklären, von der Wissenschaftler sagen, dass sie den größten Teil der Masse des Universums ausmacht, die sie aber noch nicht identifizieren konnten.

„Dies ist ein aufregendes Beispiel dafür, was mehr Wissenschaftler mit den Daten machen können, die Roman bereits während seiner Planetensuche haben wird“, sagte Sahu. „Die Ergebnisse sind interessant, unabhängig davon, ob Wissenschaftler Beweise für Schwarze Löcher mit der Masse der Erde finden oder nicht. Es würde unser Verständnis des Universums in jedem Fall verbessern.“

Referenz: „Detecting Earth-Mass Primordial Black Holes Using the Nancy Grace Roman Space Telescope“ von William DiRocco, Evan Frangipani, Nick Hammer, Stefano Profumo und Nolan Smith, 8. Januar 2024, Körperliche Untersuchung d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

Das Nancy Grace Roman Space Telescope wird im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, betrieben, unter Beteiligung des Jet Propulsion Laboratory der NASA, Caltech/IPAC in Südkalifornien, des Space Telescope Science Institute in Baltimore und eines Wissenschaftsteams, dem Wissenschaftler von gehören auf der ganzen Welt. Forschungsinstitute. Die wichtigsten Industriepartner sind BAE Systems, Inc. aus Boulder, Colorado; L3Harris Technologies in Rochester, New York; und Teledyne Scientific & Imaging in Thousand Oaks, Kalifornien.