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„Unvorstellbar große“ primordiale Schwarze Löcher als Quelle Dunkler Materie ausgeschlossen
Gigantische Schwarze Löcher aus der Frühzeit des Universums könnten einen Teil der Dunklen Materie bilden. Doch neue Berechnungen zeigen: Wären Exemplare mit mehr als 100 Milliarden Sonnenmassen häufig genug, müssten sie die kosmische Hintergrundstrahlung messbar verändert haben. Die entsprechenden Spuren fehlen, weshalb sie als bedeutende Quelle Dunkler Materie kaum infrage kommen.
Mainz (Deutschland). Dunkle Materie macht den größten Teil der Materie im Kosmos aus, doch ihre physikalische Natur ist bis heute unbekannt. Sie verrät sich vor allem durch ihre Schwerkraft, während direkte Nachweise der vermuteten Materieteilchen weiterhin fehlen. Als Alternative gelten primordiale Schwarze Löcher, die schon aus besonders dichten Bereichen des jungen Universums entstanden sein könnten.
Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung kann solche Theorien überprüfen, weil sie eine Momentaufnahme des frühen Kosmos bewahrt. Dieses Licht wurde rund 380.000 Jahre nach dem Urknall frei und trägt noch heute Spuren damaliger Dichteunterschiede. Auch die Verteilung Dunkler Materie beeinflusst die feinen Schwankungsmuster dieser Strahlung.
Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) um Christopher Gerlach haben nun untersucht, ob außergewöhnlich schwere primordiale Schwarze Löcher einen bedeutenden Teil der Dunklen Materie ausmachen könnten. Im Mittelpunkt standen sogenannte „stupendously large black holes“ (SLABs), also Schwarze Löcher mit mindestens 100 Milliarden Sonnenmassen. Sie wären damit schwerer als die bekannten supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren vieler Galaxien.
Anders als gewöhnliche Schwarze Löcher müssten solche hypothetischen Giganten nicht aus dem Kollaps von Sternen hervorgegangen sein. Einige Modelle lassen ihre Entstehung bereits in der frühen kosmischen Entwicklung zu und hatten ihnen einen beträchtlichen Anteil der Dunklen Materie zugeschrieben. Der neue Ansatz fragt deshalb nicht nach ihrem direkten Nachweis, sondern nach den großräumigen Spuren einer solchen Population.
Der Ausgangspunkt ist eine einfache statistische Eigenschaft: Selbst bei zufälliger Verteilung wären die Schwarzen Löcher nicht überall gleich häufig. Wegen ihrer riesigen Einzelmassen könnten schon geringe Unterschiede in ihrer Zahl erhebliche lokale Schwankungen erzeugen. Je seltener und schwerer die Objekte wären, desto stärker fielen diese Unterschiede aus.
Im sehr jungen Universum wären solche zusätzlichen Materieansammlungen zunächst durch etwas weniger Strahlung in denselben Regionen ausgeglichen worden. Doch Strahlung verdünnt sich bei der kosmischen Expansion schneller als Materie, wodurch dieser Ausgleich später verloren geht. So entstehen sogenannte Isokurvaturstörungen, also räumliche Unterschiede im Verhältnis von Materie zu Strahlung, die auf die Hintergrundstrahlung zurückwirken.
Das Team hat berechnet, wie stark diese Störungen bei verschiedenen Massen und Häufigkeiten der Schwarzen Löcher wären. Anschließend verglich es die Modellvorhersagen mit den Grenzen aus Messungen des Planck-Satelliten und Daten zur großräumigen Materieverteilung. Die Analysen berücksichtigten dabei auch, wie sich die anfänglichen Schwankungen bis zur Freisetzung der Hintergrundstrahlung entwickeln.
Das Ergebnis ist deutlich: Eine genügend große Population solcher Riesenlöcher würde zusätzliche Muster in der Hintergrundstrahlung hervorrufen, die mit den vorhandenen Messungen nicht vereinbar sind. Schon die konservativeren Modellannahmen ergeben enge Grenzen für ihren möglichen Anteil an der Dunklen Materie. Als wesentliche kosmische Materiekomponente scheiden sie damit in diesem Szenario aus.
Die Rechnungen behandeln Massen von etwa 100 Millionen bis zu zehn Trillionen Sonnenmassen und schließen damit die besonders extremen Giganten ein. Wichtig ist jedoch die Modellannahme, dass sämtliche betrachteten Schwarzen Löcher dieselbe Masse besitzen und statistisch zufällig verteilt sind. Eine breitere Massenverteilung oder andere Korre