Kann auch Dunkle Materie zu einem Schwarzen Loch kollabieren? Einem neuen Modell zufolge ist dies physikalisch möglich und könnte gerade in Galaxienkernen vorkommen. Sollte das stimmen, dann könnte dieser Mechanismus auch das Rätsel der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher im Kosmos lösen. Denn sie entstanden, bevor es genügend normales Rohmaterial für sie gab.
Es ist eines der großen Rätsel der Astronomie: Gängiger Theorie nach wachsen supermassereiche Schwarze Löcher heran, indem kleinere Schwarze Löcher miteinander verschmelzen und dann allmählich immer mehr Materie verschlingen. Das benötigt viel Zeit und genügend Materienachschub. Doch der älteste bekannte Quasar und andere frühe Giganten demonstrieren das scheinbar Unmögliche: Er existierte bereits 690 Millionen Jahre nach dem Urknall und umfasste trotzdem schon 800 Millionen Sonnenmassen. Wie solche Schwerkraftgiganten so schnell nach dem Urknall entstehen konnten, ist bislang völlig rätselhaft.
Kann auch Dunkle Materie degenerieren?
Eine ganz neue Theorie dazu präsentieren nun Forscher um Carlos Argüelles von der Nationaluniversität La Plata in Argentinien. Sie haben mithilfe astrophysikalischer Modelle untersucht, wie sich Dunkle Materie im Halo von Galaxien verhält. Der Halo bildet einen kugelförmigen Bereich um die sichtbare Hauptebene der Galaxien und enthält vor allem Plasma und Dunkle Materie.
Konkret wollten die Astrophysiker wissen, ob der Halo im Zentrum von Galaxien so stark komprimiert werden kann, dass die Dunkle Materie degeneriert und im Extremfall zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Weil die Natur der Dunklen Materie und damit auch ihrer Teilchen unbekannt ist, gingen Argüelles und sein Team in ihrem Modell von Fermionen der „Warm Dark Matter“-Theorie aus. Nach dieser besteht die Dunkle Materie aus schwach interagierenden Teilchen mit eher geringer Masse, ähnlich den hypothetischen sterilen Neutrinos.
Kollaps zum Schwarzen Loch möglich
Die Modellrechnungen ergaben: Auch die Dunkle Materie eines Halo kann theoretisch unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. „Im Falle von Dunkle-Materie- Fermionen entwickelt sich dann ein degenerierter Kern, umgeben von einem ausgedünnten Halo“, berichten die Forscher. Dieses Gebilde kann über lange Zeiträume stabil bleiben und – aus der Ferne betrachtet – ähnliche Merkmale aufweisen wie ein Schwarzes Loch.
Doch es geht noch einen Schritt weiter: Ist der Halo massereich genug, kann sein Kern aus Dunkler Materie sogar komplett in sich zusammenfallen. „Wir finden einen kritischen Punkt in den Kern-Halo-Gleichungen, an dem der Fermionen-Kern zu einem supermassereichen Schwarzen Loch kollabiert“, schreiben Argüelles und sein Team. Als Ergebnis entsteht dann in sehr kurzer Zeit ein Schwarzes Loch von mehreren hundert Millionen Sonnenmassen.
Weder Sternenvorläufer noch viel Zeit nötig
„Damit könnte dieses Szenario eine natürliche Erklärung dafür bieten, wie supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum entstanden sind“, sagt Argüelles. Denn dieser Kollaps Dunkler Materie war schon im jungen Universum problemlos möglich und benötigte weder eine vorherige Sternbildung noch exotisch hohe Akkretionsraten von kleineren Vorgängerlöchern, wie es einige Hypothesen vorsehen.
Stattdessen könnten sich die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher allein durch die Gravitation im Zentrum der ersten Galaxien gebildet haben – aus deren Dunkle-Materie-Halo. „Wir haben hier zum ersten Mal bewiesen, dass solche Kern-Halo-Verteilungen innerhalb des gängigen kosmologischen Rahmens möglich sind und dass sie dann in der gesamten Lebenszeit des Kosmos stabil bleiben“, erklären die Forscher.
Ihrer Ansicht nach könnte ihr Modell entscheidend dazu beitragen, die Bildung von supermassereichen Schwarzen Löchern im frühen Universum zu verstehen. Gleichzeitig könnten die Ergebnisse auch neue Einblicke auch in die Entstehung und Entwicklung von Galaxien und ihren dichten Zentren bieten. Argüelles und seine Kollegen hoffen, dass künftige, präzisere Blicke in Galaxienkerne weitere Indizien für ihre Theorie liefern. (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2021; doi: 10.1093/mnras/staa3986)
Quelle: Royal Astronomical Society
