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Dunkle Materie könnte winzige Schwarze Löcher wachsen lassen
Kosmischer Parasit im Sternkern: Ein theoretisches Modell zeigt, dass ein winziges Schwarzes Loch unter günstigen Bedingungen schon ab rund 40 Tonnen weiterwachsen könnte, statt durch Hawkingstrahlung zu verdampfen. Entscheidend ist ein stetiger Nachschub hypothetischer ultramassereicher Dunkle-Materie-Teilchen. Der Wert gilt jedoch für ein spezielles, besonders dichtes Umfeld im galaktischen Bulge.
Manipal (Indien). Je leichter ein Schwarzes Loch ist, desto stärker fällt seine Hawkingstrahlung ins Gewicht und desto rascher verliert es Masse. Doch im Inneren eines kompakten Sterns kann die Bilanz anders aussehen: Dort könnte ein sehr kleines Schwarzes Loch zugleich Materie aus seinem Wirtsstern und weitere Dunkle Materie aufnehmen.
Das Szenario setzt ultramassereiche asymmetrische Dunkle Materie voraus. Solche hypothetischen Teilchen würden sich nicht effizient gegenseitig vernichten und könnten sich deshalb im Zentrum eines Neutronensterns oder Weißen Zwergs ansammeln. Wird der Kern aus Dunkler Materie selbstgravitatierend und kollabiert, kann dabei ein sogenanntes endoparasitisches Schwarzes Loch entstehen.
Forscher der Manipal Academy of Higher Education (MAHE) um H. A. Adarsha haben nun berechnet, wann ein solches Schwarzes Loch wächst und wann es verdampft. Ihr Modell verknüpft drei Beiträge zur Massenbilanz: die Aufnahme gewöhnlicher Sternmaterie, die fortgesetzte Zufuhr von Dunkler Materie und den Masseverlust durch Hawkingstrahlung.
Für extrem kleine Schwarze Löcher berücksichtigen die Forscher zudem, dass sich einfallende Teilchen nicht immer wie eine kontinuierliche Flüssigkeit behandeln lassen. In diesem Größenbereich modellieren sie die Aufnahme quantenmechanisch. Bei größeren Massen geht die Beschreibung in die übliche hydrodynamische Akkretion über.
Aus dieser Konkurrenz ergibt sich eine kritische Anfangsmasse. Unterhalb davon gewinnt die Hawkingstrahlung, oberhalb davon kann die Zufuhr von Materie ein dauerhaftes Wachstum ermöglichen. Ohne weiteren Nachschub an Dunkler Materie liegt diese Größenordnung in repräsentativen Modellfällen bei etwa zehn Milliarden Kilogramm.
Mit fortgesetzter Zufuhr von Dunkler Materie sinkt die Schwelle im Modell drastisch. Für einen Weißen Zwerg in der galaktischen Scheibe kommen die Berechnungen auf etwa zehn Millionen Kilogramm, also rund 10.000 Tonnen. Im viel dunkelmateriereicheren galaktischen Bulge fällt die kritische Größenordnung für einen Weißen Zwerg auf etwa 40.000 Kilogramm oder 40 Tonnen. Für einen Millisekundenpulsar im Bulge sind es rund 600 Tonnen.
Der 40-Tonnen-Wert ist daher keine universelle Untergrenze für Schwarze Löcher. Er gilt für die im Modell gewählten Bedingungen, darunter eine hohe Dunkle-Materie-Dichte im galaktischen Bulge und eine effiziente weitere Zufuhr der Teilchen. Bei geringerer Dichte oder schwächerer Wechselwirkung muss das Schwarze Loch bei seiner Entstehung entsprechend massereicher sein, damit es nicht verdampft.
Die Forscher drehen die Rechnung anschließend um. Wenn bestimmte Dunkle-Materie-Eigenschaften dazu führen würden, dass alte kompakte Sterne rasch in Schwarze Löcher umgewandelt werden, dürften solche Sterne heute nicht mehr existieren. Das Team verlangt deshalb, dass die Umwandlungszeit bei Millisekundenpulsaren mindestens ungefähr eine Milliarde Jahre und bei Weißen Zwergen ungefähr zehn Milliarden Jahre beträgt.
Damit leitet die Studie neue Grenzen für die Masse der Dunkle-Materie-Teilchen und ihren Streuquerschnitt mit gewöhnlicher Materie ab. Untersucht wird ein Massenbereich von etwa 10⁶ bis 10¹⁴ Gigaelektronenvolt. Die über Milliarden Jahre erhaltenen Sterne dienen in diesem Modell damit als natürliche Langzeitdetektoren für Teilcheneigenschaften, die im Labor nur schwer zugänglich sind.