Babyuniversen, die kurz nach dem Urknall von unserem Universum abzweigen, erscheinen uns wie schwarze Löcher. Bildnachweis: Kavli IPMU

Das Kavli-Institut für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU) beherbergt viele interdisziplinäre Projekte, die von der Synergie eines breiten Spektrums an Fachwissen des Instituts profitieren. Ein solches Projekt ist die Untersuchung von Schwarzen Löchern, die sich im frühen Universum gebildet haben könnten, bevor Sterne und Galaxien geboren wurden.

Solche primordialen Schwarzen Löcher (PBHs) könnten die gesamte oder einen Teil der Dunklen Materie ausmachen und für einige der beobachteten verantwortlich sein Gravitationswellen Im Zentrum unserer Milchstraße und anderer Galaxien wurden Signale und supermassereiche Schwarze Löcher gefunden. Sie können auch eine Rolle bei der Synthese schwerer Elemente spielen, wenn sie mit Neutronensternen kollidieren und diese zerstören, wodurch neutronenreiches Material freigesetzt wird.

Insbesondere besteht die aufregende Möglichkeit, dass die mysteriöse dunkle Materie, die für den größten Teil der Materie im Universum verantwortlich ist, ursprüngliche Schwarze Löcher sind. Der Nobelpreis für Physik 2020 wurde an einen Theoretiker, Roger Penrose, und zwei Astronomen, Reinhard Genzel und Andrea Ghez, für ihre Entdeckungen verliehen, die die Existenz von Schwarzen Löchern bestätigen. Da bekannt ist, dass Schwarze Löcher in der Natur vorkommen, sind sie ein sehr attraktiver Kandidat für dunkle Materie.

Die jüngsten Fortschritte in der Fundamentaltheorie, Astrophysik und astronomischen Beobachtungen bei der Suche nach PBHs wurden von einem internationalen Team von Teilchenphysikern, Kosmologen und Astronomen erzielt, darunter die IPMU-Mitglieder von Kavli, Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada und Volodymyr Takhistov.

Um mehr über ursprüngliche Schwarze Löcher zu erfahren, suchte das Forscherteam nach Hinweisen im frühen Universum. Das frühe Universum war so dicht, dass jede positive Variation der Dichte von mehr als 50 Prozent eins war schwarzes Loch. Es ist jedoch bekannt, dass kosmologische Störungen, die ausgesäte Galaxien haben, viel kleiner sind. Dennoch hätte eine Reihe von Prozessen im frühen Universum die richtigen Bedingungen für die Bildung von Schwarzen Löchern schaffen können.

Hyper Suprime-Cam (HSC) ist eine riesige Digitalkamera des Subaru-Teleskops. Bildnachweis: HSC Project / NAOJ

Eine aufregende Möglichkeit besteht darin, dass ursprüngliche Schwarze Löcher aus den „Babyuniversen“ hervorgehen, die während des Aufblasens entstanden sind. Diese Zeit der raschen Expansion ist vermutlich dafür verantwortlich, die Strukturen zu säen, die wir heute beobachten, wie Galaxien und Galaxienhaufen. Während der Inflation können sich Babyuniversen von unserem Universum abzweigen. Ein kleines Baby- (oder „Tochter“) Universum würde schließlich zusammenbrechen, aber die große Menge an Energie, die in das kleine Volumen freigesetzt wird, erzeugt ein Schwarzes Loch.

Ein noch seltsameres Schicksal erwartet ein größeres Babyuniversum. Wenn es größer als eine kritische Dimension ist, erlaubt Einsteins Gravitationstheorie, dass das Babyuniversum in einem Zustand existiert, der von innen und außen anders aussieht als ein Beobachter. Ein interner Beobachter sieht es als expandierendes Universum, während ein externer Beobachter (wie wir) es als schwarzes Loch sieht. In beiden Fällen werden die großen und kleinen Babyuniversen von uns als ursprüngliche Schwarze Löcher angesehen, die die zugrunde liegende Struktur mehrerer Universen hinter ihrem „Ereignishorizont“ verbergen. Der Ereignishorizont ist eine Grenze, unter der alles, auch das Licht, gefangen ist und dem Schwarzen Loch nicht entkommen kann.

Ein Stern in der Andromeda-Galaxie wird vorübergehend heller, wenn ein ursprüngliches Schwarzes Loch vor dem Stern vorbeizieht und sein Licht gemäß der Gravitationstheorie fokussiert. Bildnachweis: Kavli IPMU / HSC Collaboration

In ihrer Arbeit beschrieb das Team ein neues Szenario für die PBH-Bildung und zeigte, dass die Schwarzen Löcher aus dem Multiversum-Szenario mit der Hyper Suprime-Cam (HSC) des 8,2 m langen Subaru-Teleskops gefunden werden können , eine riesige Digitalkamera – deren Management Kavli IPMU eine wichtige Rolle gespielt hat – in der Nähe des 4.200 Fuß hohen Gipfels des Berges. Mauna Kea in Hawaii. Ihre Arbeit ist eine aufregende Erweiterung der HSC-Suche von PBH, die von Masahiro Takada, einem leitenden Ermittler an der Kavli IPMU, und seinem Team verfolgt wird. Das HSC-Team berichtete kürzlich über signifikante Einschränkungen der Existenz von PBHs in Niikura, Takada et. al. Nature Astronomy 3, 524 & ndash; 534 (2019)

Warum war der HSC in dieser Studie unverzichtbar? Das HSC hat die einzigartige Fähigkeit, alle paar Minuten die gesamte Andromeda-Galaxie abzubilden. Wenn ein Schwarzes Loch durch die Sichtlinie zu einem der Sterne gelangt, lenkt die Schwerkraft des Schwarzen Lochs die Lichtstrahlen ab und lässt den Stern für kurze Zeit heller als zuvor erscheinen. Die Dauer des Aufleuchten des Sterns gibt den Astronomen Auskunft über die Masse des Schwarzen Lochs. HSC-Beobachtungen ermöglichen es, hundert Millionen Sterne gleichzeitig zu beobachten und ein breites Netz für ursprüngliche Schwarze Löcher zu werfen, die eine der Sichtlinien schneiden können.

Frühe HSC-Beobachtungen haben bereits über ein sehr faszinierendes Kandidatenereignis berichtet, das mit einem „multiversen“ PBH übereinstimmt und dessen Masse mit der Masse des Mondes vergleichbar ist. Von diesem ersten Zeichen ermutigt und von dem neuen theoretischen Verständnis geleitet, führt das Team eine weitere Beobachtungsrunde durch, um die Suche zu erweitern und einen endgültigen Test zu liefern, ob PBHs aus dem Multiversum-Szenario die gesamte dunkle Materie erklären können.

Referenz: „Erforschung der ursprünglichen schwarzen Löcher aus dem Multiversum mit optischen Teleskopen“ von Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takhistov und Edoardo Vitagliano, 30. Oktober 2020, Briefe zur körperlichen Überprüfung.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.181304