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Uralte winzige Schwarze Löcher könnten in fünf Dimensionen existieren
Primordiale Schwarze Löcher gelten als mögliche Relikte des frühen Universums und als Kandidaten für Dunkle Materie. Eine theoretische Analyse zeigt nun, dass diese Objekte im sogenannten Dark-Dimension-Szenario unter den verwendeten Quantengravitationsannahmen zwangsläufig fünfdimensional werden müssten. Einige könnten dadurch wesentlich länger überleben als vergleichbare vierdimensionale Schwarze Löcher.
München (Deutschland). Primordiale Schwarze Löcher wären nicht durch kollabierende Sterne entstanden, sondern bereits in der Frühzeit des Kosmos aus besonders dichten Regionen. Bis heute ist keines dieser hypothetischen Objekte eindeutig nachgewiesen, dennoch gelten sie weiterhin als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie.
Die meisten Modelle behandeln solche Schwarzen Löcher als vierdimensionale Objekte in einer Raumzeit mit drei Raumrichtungen und einer Zeitdimension. Das Dark-Dimension-Szenario nimmt dagegen eine zusätzliche räumliche Dimension im Bereich von ungefähr einem Mikrometer an. Die bekannte Materie wäre dabei auf unsere vierdimensionale Raumzeit beschränkt, während die Gravitation auch die zusätzliche Dimension erreichen könnte.
Das Autorenteam hat untersucht, wie sich etablierte Entstehungswege primordialer Schwarzer Löcher unter diesen Voraussetzungen verändern. Dafür betrachteten die Forscher Inflation, kosmische Phasenübergänge und den Kollaps kosmischer Strings. Der inflationäre Bildungsweg steht im verwendeten Quantengravitationsrahmen bereits mit sogenannten Swampland-Bedingungen in Spannung, weshalb sich die detaillierte Analyse vor allem auf die beiden anderen Mechanismen konzentriert.
Entscheidend ist dabei die sogenannte Gregory-Laflamme-Instabilität, durch die ein zunächst vierdimensionales Schwarzes Loch unterhalb einer Massenschwelle instabil wird und in einen fünfdimensionalen Zustand übergehen kann. Das Team verglich deshalb die möglichen Massen der entstehenden primordialen Schwarzen Löcher mit der Schwelle, die durch die Größe der angenommenen Extradimension festgelegt wird.
Die Analyse führt außerdem zu einer ungewöhnlichen Aussage über die sehr frühe kosmische Expansion. Oberhalb einer Temperatur von ungefähr einem Gigaelektronenvolt könne die Energiedichte im Modell nicht von gewöhnlicher Strahlung dominiert gewesen sein, weil sonst zu viele Kaluza-Klein-Gravitonen entstanden wären. Stattdessen nähert sich die frühere Entwicklung nach den verwendeten Randbedingungen einer sogenannten Kinationsphase an, in der die kinetische Energie eines Feldes die Expansion prägt.
Für Schwarze Löcher aus kosmischen Phasenübergängen ergibt sich eine klare Grenze. Entstehen sie bei Temperaturen oberhalb von rund zehn Teraelektronenvolt, liegen ihre möglichen Massen so weit unter der Stabilitätsschwelle, dass sie spätestens beim Übergang in die spätere kosmische Phase fünfdimensional sein müssten. Unter den strengeren Bedingungen der Kinationsphase müsste ein dauerhaft vierdimensionales Objekt sogar erst bei Temperaturen von höchstens ungefähr einem Teraelektronenvolt entstehen.
Ein bekannter Phasenübergang des Standardmodells liefert dafür nach Ansicht der Autoren keinen naheliegenden Ausweg. Der Übergang der Quantenchromodynamik ist kein Phasenübergang erster Ordnung, sondern ein kontinuierlicher Crossover. Ohne bislang unbekannte Physik bei niedrigen Energien wäre er deshalb nicht effizient genug, um die benötigten primordialen Schwarzen Löcher zu erzeugen.
Ähnlich fällt die Rechnung für kosmische Strings aus, also hypothetische linienförmige Defekte aus dem frühen Universum. Kollabieren ihre Schleifen bei Temperaturen oberhalb von ungefähr einem Gigaelektronenvolt zu Schwarzen Löchern, müssten diese im Modell ebenfalls fünfdimensional werden. Selbst bei späterer Bildung könnte ein vierdimensionaler Zustand nach der Analyse nur bei Temperaturen unter ungefähr einem Kiloelektronenvolt bestehen bleiben, was wiederum sehr exotische neue Physik erfordern würde.
Der zusätzliche Raum verändert auch die