Ich werde oft gefragt ob die mysteriöse dunkle Materie (über die ich hier sehr ausführlich geschrieben habe) nicht einfach aus schwarzen Löcher bestehen könnte. Immerhin sind schwarze Löcher ja per Definition „schwarz“, das heißt sie senden keine elektromagnetische Strahlung aus sondern treten nur per Gravitation mit dem Rest des Universums in Wechselwirkung. Und immerhin sind genau das ja auch die Eigenschaften die wir von der dunklen Materie kennen: Sie ist da, übt Gravitation aus, unterliegt aber nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung.
Ich habe bis jetzt immer mit einem entschiedenen „Nein!“ auf diese Frage geantwortet. Dafür gab (und gibt) es gute Gründe. Wir wissen aus unseren Beobachtungen dass die dunkle Materie über das gesamte Universum verteilt ist. Sie ist überall – also müssten auch die schwarzen Löcher überall sein. Die schwarzen Löcher die wir kennen entstehen aber nicht einfach so. Sie sind das was von großen Sternen übrig bleibt wenn die keinen Brennstoff mehr haben und kollabieren. Wir wissen außerdem das es sehr viel mehr dunkle als normale Materie gibt. Ungefähr fünfmal mehr sogar! Damit so viele Sterne entstehen und zu schwarzen Löchern werden können muss es also nach dem Urknall sehr viel normale Materie gegeben haben. Wir können aber aus kosmologischen Messungen bestimmen wie viel Materie damals vorhanden war und die Zahlen passen nicht. Außerdem müssten wir die schwarzen Löcher nicht nur über ihre Gravitationswirkung beobachtet haben sondern auch bei sogenannten Gravitationslinsenereignissen beobachten (die treten auf wenn ein schwarzes Loch von uns aus gesehen vor einem Stern vorüber zieht und dessen Licht ein wenig ablenkt). Aber auch das beobachten wir nicht in dem Ausmaß in dem es nötig wäre um die dunkle Materie erklären zu können.
Es gibt also gute Gründe davon auszugehen das schwarze Löcher nichts mit dunkler Materie zu tun haben. Sondern das dunkle Materie – so wie derzeit von der Mehrheit der Wissenschaftler favorisiert – aus einer noch unbekannten Art von Elementarteilchen besteht. Es gibt aber mittlerweile auch Ergebnisse die zeigen dass das mit den schwarzen Löchern unter Umständen doch funktionieren könnte.
Die Argumentation von vorhin ist dabei weiterhin gültig. Es kann niemals so viele Sterne gegeben haben um ausreichend schwarze Löcher erzeugt zu haben. Aber es gibt noch eine andere Art von schwarzen Löcher. Schwarze Löcher die keine Sterne als Vorläufer brauchen. Damit ein schwarzes Loch entsteht muss man eigentlich nur eine bestimmte Menge ausreichend stark komprimieren. Für eine vorgegebene Masse kann man den Ereignishorizont berechnen und das ist auch genau die Größe auf die man diese Masse komprimieren muss. Bei unserer Sonne wären das zum Beispiel 3 Kilometer. Jetzt gibt es natürlich keine Maschine die die Sonne von ihrem derzeitigen Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometer Durchmesser auf 3 Kilometer verdichten kann. So etwas kann nur ein Stern selbst schaffen. Wenn die Kernfusion in seinem Inneren zum Erliegen kommt, dann kollabiert der Stern unter seinem eigenen Gewicht. Hat er genug Masse, dann ist diese Kraft stark genug um den Stern bis unter die kritische Größe des Ereignishorizonts zu verdichten und ein schwarzes Loch ist entstanden. Unsere Sonne hat diese Masse nicht aber Sterne die ein wenig größer sind können das.
Es gab aber in unserem Universum auch eine Phase in der die Materie ganz ohne Sterne dicht genug war. Sterne gab es damals noch nicht; dieser Zeitraum war kurz nach dem Urknall und er dauerte nur Sekundenbruchteile an. Aber wenn die Materie damals tatsächlich ausreichend dicht war und wenn sie nicht ganz gleichmäßig verteilt war, dann könnten bestimmte Bereiche mit erhöhter Materiedichte tatsächlich unter ihrer eigenen Gravitation zu sogenannten primordialen schwarzen Löchern kollabieren. Wir wissen nicht wie genau diese Phase im jungen Universum ausgesehen hat und daher auch nicht ob primordiale schwarze Löcher wirklich entstehen konnten und wenn ja, welche Masse sie haben könnten. Sie könnten winzig sein; nur so schwer wie Atome, Asteroiden oder Planeten. Dann hätten sie aufgrund der der Hawking-Strahlung aber sehr schnell Masse verloren und sich bis heute komplett aufgelöst. Sie könnten aber auch massereicher sein und bis heute überlebt haben. Sie wären dann auch tatsächlich überall im Universum verteilt und sie hätten sich auch zu Paaren zusammenfinden können. Solche einander umkreisenden schwarzen Löcher würden Gravitationswellen abgeben, sich dadurch irgendwann näher kommen und dann verschmelzen.
Verschmelzende schwarze Löcher sind aber genau das was Astronomen seit letztem Jahr schon dreimal beobachtet haben und in Zukunft noch viel öfter beobachten werden. Und da wird es jetzt langsam interessant.
Zuerst müssen wir aber noch einen anderen Punkt klären: Schwarze Löcher sind nicht wirklich komplett schwarz. Also die Löcher selbst schon, wenn man mal von der Hawking-Strahlung absieht. Aber die Umgebung schwarzer Löcher kann enorm hell sein. Wenn Material in der Nähe des Lochs ist und auf das Loch fällt, dann gibt es dabei jede Menge hochenergetische Strahlung ab. Die können wir zum Beispiel mit Röntgenteleskopen beobachten und haben das auch schon oft genug getan. Nehmen wir also mal an, es gibt primordiale schwarze Löcher. Nehmen wir außerdem an sie haben in etwa die Massen (ein paar Dutzend Sonnenmassen) die bisher vom Gravitationswellenobservatorium LIGO beobachtet worden sind. Schon im letzten Jahr der amerikanische Astronom Alexander Kashlinsky untersucht was daraus folgen würde („LIGO gravitational wave detection, primordial black holes and the near-IR cosmic infrared background anisotropies“). Das junge Universum (wir sind jetzt schon ein paar 100 Millionen Jahre nach der Entstehung der primordialen schwarzen Löcher) war noch sehr heiß. So heiß dass das ganze Gas sich nicht zu Sternen formen konnte; dafür bewegte es sich noch zu schnell. Den primordialen schwarzen Löchern war die Temperatur aber egal, sie konnten zusammenklumpen und sogenannte „Minihalos“ bilden die quasi die „Saatkörner“ für spätere Sternentstehung bildeten. In ihrer Nähe konnte sich dann auch die normale Materie ansammeln aus denen dann die ersten Sterne entstanden. Bei diesem Prozess muss aber auch ein wenig Materie in die schwarzen Löcher gefallen sein und entsprechende Strahlung produziert haben die wir heute als Teil der Hintergrundstrahlung beobachten können müssten. Damit ist nicht die kosmologische Hintergrundstrahlung gemeint die nach der Entstehung der ersten Atome entstand sondern quasi das „Hintergrundrauschen“ im Infrarot- beziehungsweise Röntgenlicht. Kashlinsky meinte nun in seiner Arbeit, dass man anhand der bisherigen Beobachtungen zumindest nicht ausschließen kann, dass das der Fall ist. Das was wir sehen widerspricht nicht der These dass die primordialen schwarzen Löcher die dunkle Materie ausmachen.
Jetzt bleibt aber noch die Sache mit den Gravitationslinsen. Wenn da so viele schwarze Löcher unterwegs sind, dann müssten wir das bemerken weil die Löcher mit ihrer Gravitation das Licht der sichtbaren Sterne ablenken. Aber wie viele solcher Ereignisse gibt und wie gut wir sie beobachten können hängt von der Verteilung der schwarzen Löcher und ihrer Massen ab und auch hier gibt es neue Erkenntnisse. Ryan Magee und Chad Hanna von der Pennsylvania State University haben sich das kürzlich in einer neuen Arbeit genauer angesehen („Disentangling the potential dark matter origin of LIGO’s black holes“). Man kann tatsächlich eine Massenverteilung der primordialen schwarzen Löcher konstruieren die einerseits sicherstellt dass es keinen Widerspruch zu bisherigen Gravitationslinsenbeobachtungen gibt. Andererseits würde diese Massenverteilung es auch erlauben, die gesamte Menge an dunkler Materie durch primordiale schwarze Löcher zu erklären.
Die Arbeit von Magee und Hanna hat aber noch einen weiteren großen Vorteil. Sie macht konkrete Vorhersage für zukünftige LIGO-Beobachtungen. Unter den primordialen schwarzen Löchern müssten nämlich auch einige sein, deren Masse gering ist. Wenn die reale Verteilung schwarzer Löcher im Universum dem Modell von Magee und Hanna entspricht sollten ungefähr ein Prozent der von LIGO detektierten schwarzen Löcher eine Masse haben die geringer als eine Sonnenmasse ist. Gut, momentan haben wir nur drei Gravitationswellenereignisse entdeckt. Aber wie ich damals schon geschrieben habe: Das wir nach so kurzer Zeit schon drei Ereignisse entdeckt haben ist ein Zeichen dafür dass da noch viel mehr zu entdecken ist und auch entdeckt werden wird wenn der Betrieb von LIGO (und den kommenden Detektoren) demnächst Routine wird. Und wenn dann tatsächlich schwarze Löcher mit so geringer Masse dabei sind; schwarze Löcher die nicht aus dem Kollaps eines Sterns entstanden sein können – dann ist das schon ein ziemlich guter Hinweis darauf dass wir hier wirklich einer großen Sache auf der Spur sind.
Vor 1,5 Jahren habe ich noch erklärt dass ich noch nicht wirklich überzeugt bin das primordiale schwarze Löcher wirklich ein guter Kandidat für dunkle Materie sind. Ich habe aber auch gesagt: „Wir werden einfach abwarten müssen, wie sich die Sache entwickelt. Die Gravitationswellenastronomie hat gerade erst begonnen! „. Das hat sie! Und sie wird großartige Ergebnisse liefern. Vielleicht ist die Identifikation der dunklen Materie tatsächlich dabei. Vielleicht auch nicht. Wenn ich ehrlich bin, dann bin ich auch jetzt noch nicht wirklich überzeugt dass die primordialen schwarzen Löcher der richtige Weg sind. Für meinen Geschmack ist da momentan noch zu viel Spekulation dabei. Wir wissen, dass diese Hypothese nicht den Beobachtungen widerspricht. Das ist ein gutes Zeichen. Wir wissen, dass die neuen Beobachtungen durch LIGO (mit denen in der Art niemand so schnell gerechnet hat) diese Hypothese ebenfalls nicht widerlegen, was ein noch besseres Zeichen ist. Wir haben Vorhersagen die wir in absehbarer Zeit konkret prüfen können. Und dann sehen wir weiter. Und wenn ich in Zukunft gefragt werde ob die dunkle Materie aus schwarzen Löchern bestehen könnte, werde ich meine Antwort von „Nein!“ zu „Vielleicht“ abändern…
P.S. Und bevor jemand fragt: Nein, auch wenn die dunkle Materie aus primordialen schwarzen Löchern besteht ist das kein Grund zur Panik. Sie mögen zwar überall sein aber das Universum hat sehr viel „Überall“ zu bieten. Da ist genug Platz. Und schwarze Löcher sind keine Staubsauger die uns „ansaugen“. Wir wissen das es in der Nähe unseres Sonnensystems keines gibt, denn sonst hätten wir das längst gemerkt. Und schwarze Löcher die weit weg sind, tun uns nichts (und falls sich eines in unsere Richtung bewegt, dann würden wir das durch seine Gravitationswirkung auf die Sterne in unserer Umgebung und die Planeten im äußeren Sonnensystem auch ein paar Jahrhunderte im voraus wissen).
Und wenn Schwarze Löcher Dunkle Materie Produzieren?
Naja, streng genommen gehören Schwarze Löcher schon zur Dunklen Materie. Aber sie sind halt nicht „die“ Dunkle Materie, die entscheidend ist für die Beobachtungen.
@P.M: Wie sollten sie das tun? Materie, auch Dunkle, kann nicht einfach so entstehen.
Sagt ja auch keiner das Materie entsteht, sondern Dunkle Materie, von der wir ihre genaue Natur nicht kennen. Also kann es genauso gut sein, das Schwarze Löcher aus der vorhandenden Materie durch ein unbekannten Prozess Dunkle Materie Produzieren. Oder gibt’s da ein Physikalischen Widerspruch? Hawking-Strahlung produzieren sie Schliesslich auch
Dunkle Materie macht sich ja nur durch ihren gravitativen Einfluss bemerkbar, und kann auch nur durch Gravitation (soweit wir wissen) beeinflusst werden. Dementsprechend sollten schwarze Löcher nicht nur einen Halo aus normaler Materie sondern auch aus dunkler haben, und diese genauso auch verschlucken. Könnte es dadurch nicht beobachtbare Effekte (Einfluss auf die ausgesendete Strahlung, plötzlicher Massezuwachs ohne korrelierendes Strahlungsereignis) geben, sobald die dunkle Materie hinein fällt, und könnte uns das Informationen über selbige liefern?
Wäre doch was für die Sternengeschichten, oder?
@Peter L :
Woher sollte ein plötzlicher Strahlungsausstoß oder Massezuwachs denn kommen? Die Dunkle Materie wird mit vergleichbaren Eigenschaften postuliert, wie man sie an den Neutrinos beobachtet hat, und so ein Zeug klumpt nicht. Wenn Dunkle Materie in ein Schwarzes Loch fällt, dann vermutlich in einem gleichmäßigem Fluss auf ziemlich niedrigem Niveau.
Also zu einem gewissen Maß muss die Dunkle Materie schon klumpen, denn sonst wären Formationen wie beim Bullet Cluster / 1E 0657-558 so nicht möglich. Oder auch der Halo von Galaxien. Oder kann man ausschließen dass kleinere Klumpen keine entsprechende gravitative Bindung haben dass sie als „Objekt“ betrachtet werden könnten?
Wenn ich richtig gerechnet habe, dann wäre ein primordiales schwarzes Loch von der Masse Tschurjumow-Gerassimenkos gerade noch, nicht völlig zerstrahlt. Es geht also auch kleiner.
Was ich noch nicht verstanden habe, wo ist hierbei der Unterschied zwischen schwarzen Löcher und normaler Materie? Wenn sich nicht überall schwarze Löcher befinden, sondern Asteroiden, Planeten, braune und rote Zwerge gleicher Masse, so hätte das doch den gleichen Effekt. Und wenn sie einigermaßen weit weg sind, sehen wir selbst die roten Zwerge nicht mehr. Oder wäre dann die Hintergrundstrahlung eine andere?
Zu der Strahlung der Akkretionsscheibe: Warum sollten so kleine schwarze Löcher eine solche haben? Sterne haben sie doch auch nicht, wenn man von der Scheibe absieht, die bei der Entstehung des Sterns entsteht. Die primordialen schwarzen Löscher sind anders entstanden und haben erst mal keine Akkretionsscheibe und später kommt kaum was dazu.
@pane: „sondern Asteroiden, Planeten, braune und rote Zwerge gleicher Masse, so hätte das doch den gleichen Effekt. „
Da greift aber wieder das Argument vom Anfang: Wir WISSEN das so viel Zeug im jungen Universum nicht da war. Das sehen wir in der ~400.000 Jahre nach dem Urknall entstandenen Hintergrundstrahlung. Primordiale SLs sind was anderes; die wären viel früher entstanden.
Noch mal eine ganz andere Überlegung zu Urknall. So wie ich es verstanden habe, gab es zu der Planck-Zeit nach dem Urknall ein Universum, dass eine Planck-Länge groß war und die Planck-Temperatur heiß usw. also war es auch eine Planck-Masse schwer, bzw. die Gesamtenergie betrug die Planck-Energie. Das aber ist nicht sonderlich viel. Woher kommt denn die ganze andere Masse, bzw. Energie?
@pane: „So wie ich es verstanden habe, gab es zu der Planck-Zeit nach dem Urknall ein Universum, dass eine Planck-Länge groß war und die Planck-Temperatur heiß usw. also war es auch eine Planck-Masse schwer“
Nein – die Planck-Einheiten sind nur Einheiten – aber sagen nicht, dass das Universum genau diese Parameter gehabt hat.
@P.M.:
a) „genausogut“ ist eine schwerwiegende und konkrete Voraussage. Wie bitte genau hast du die ermittelt?
b) Was genau ist „produzieren“? Masse wird nicht einfach so erzeugt. Das ist ein Platin-Klasse-Widerspruch mit Goldrand.
c) Hawking-Strahlung ist keine Dunkle Materie. Die Eigenschaften von Dunkler Materie sind massiv (haha) anders als die baryonischer Materie. Das ist etwa so weit entfernt wie der Gedanke, eine Maschine, die normalerweise Kugeln für Kugellager herstellt, auf die Produktion von Grafikkarten umzurüsten. „Was denn? In Computerplatinen ist doch auch Metall drin – dann sollte das mit so einer Maschine doch auch gehen!“
Nee. eben nicht.
Wäre es denn möglich, dass das frühe Universum dermaßen planck’sch gewesen wäre?
@Florian:
So wie ich das verstanden habe, deutet die Tatsache, dass LIGO in so kurzen Beobachtungszeiträumen so viele Ereignisse detektiert hat darauf hin, dass es mehr und massereichere schwarze Löcher gibt als bisher angenommen.
Damit erhöht sich auf jeden Fall schon einmal der Anteil der schwarzen Löcher an der dunklen Materie.
Auch wenn sich herausstellen sollte, dass schwarze Löcher nicht die komplette dunkle Materie erklären können, ändern sich so die Vorraussetzungen für alternative Hypothesen: Die Menge an dunkler Materie, die aus noch unbekannten Teilchen besteht nimmt ab. Das hat natürlich Auswirkungen auf die Vorhersagen, für experimentelle Ergebnisse. Das bedeutet, die Grenzen für bestimmte Hypothesen, die experimentelle Vorhersagen machen (z.B. Supersymmetrie), verschieben sich. LIGO mischt also gerade unsere gesamte Kosmologie auf.
Wir leben in der Tat in interessanten Zeiten – ich bin begeistert!
@Florian Freistetter:
Das ist eine sehr interessante Variante für den Kandidaten der dunklen Materie. Jedoch kam mir jüngst der leider beinahe unvermeidliche Herr Lesch unter, als er einen heißen Kandidaten für DM präsentierte:
https://www.zdf.de/dokumentation/terra-x/videos/lesch-und-co-neutralinos-102.html
Er beschreibt den Ansatz, dass DM aus dem Majorana-Fermion „Neutralino“ besteht, der Weg der Findung wird auch hinreichend gut dargestellt.
Interessant wäre zu wissen, ob es unter Wissenschaftlern einen Konsenz gibt, dass dunkle Materie zwingend ein Typ Teilchen oder Masse sein muss, oder ob es sich DM in verschiedene Komponenten zerfällt, z. B. Primordiale SW UND Neutralinos…
@Baldur: „der leider beinahe unvermeidliche Herr Lesch unter, als er einen heißen Kandidaten für DM präsentierte:“
Das Neutralino als DM-Kandidat ist jetzt allerdings nicht unbedingt neu. Da hab ich schon vor fast 10 Jahren drüber geschrieben: https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2008/09/10/wissenschaft-am-lhc-die-suche-nach-dunkler-materie/?all=1 (und natürlich ist die Hypothese noch viel älter). Auch die Geschichte mit den Röntgenbeobachtungen ist nicht unbedingt neu; da hab ich auch immer wieder drüber berichtet – siehe zB hier: https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/03/26/ein-moeglicher-nachweis-von-dunkler-materie-in-einer-zwerggalaxie/?all=1
Das was Lesch da präsentiert ist eigentlich nix anders als die derzeitige Standard-Hypothese, nämlich das DM eine noch unentdecke Art von Teilchen ist und in dem Fall ein Teilchen der supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells (https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/06/25/dunkle-welten-vii-die-suche-nach-der-dunklen-materie-nahert-sich-dem-ende/?all=1 und https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/12/18/sternengeschichten-folge-160-die-supersymmetrie/). Eigentlich dachte man, dass man die SuSy-Teilchen schnell finden würde wenn der LHC läuft – hat aber nicht geklappt: https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2016/08/09/nichts-entdeckt-keine-neuen-elementarteilchen-am-cern/
Die meisten Wissenschaftler gehen immer noch davon aus das die DM ein Teilchen ist; vielleicht nicht unbedingt ein SuSy-Teilchen – aber es gibt genug andere Alternativen. Es kann auch ne Mischung aus SLs und Teilchen sein. Oder sogar was ganz anderes… Da wissen wir immer noch zu wenig.
@pane
Das ist quasi DIE Frage. In „Per Anhalter durch die Galaxis“ lautet die Antwort bekanntlich 42.
Die korrekte Antwort lautet wir wissen es nicht und wir werden es vielleicht auch nie herausfinden.
Es gibt allerdings Hypothesen dazu. Die unter Wissenschaftlern am weitesten verbreitete Hypothese postuliert das „Inflaton“ Feld, das für die inflationäre Phase der sehr schnellen Expansion während des Urknalls verantwortlich sein soll.
Gut verständlich erklärt fand ich es in Brian Greenes Buch „The Hidden Reality“. Kurz in eigenen Worten zusammengefasst:
Das Inflaton Feld hatte vor dem Urknall einen hohen Wert, war metastabil und sorgte dafür dass Sich das Universum inflationär ausdehnte. Durch zufällige Quantenfluktuationen ist das Inflaton Feld in unserer Ecke des Kosmos aus dem metastabilen Zustand auf einen niedrigen Wert abgefallen. Dabei entstand die Materie (dunkle und sichtbare) und unser Universum dehnte sich nur noch vergleichsweise langsam aus.
@Peter L:
Meinem Verständnis zufolge ist dem nicht so. Und überleg dir doch einmal, was genau einen Stein zusammenhält, den du in der Hand hältst (oder auch deine Hand). Ist es die Gravitation? Nein, denn dazu ist sie viel zu schwach. Gravitation macht sich auf große Distanzen und für große Massen bemerkbar. Eine Dunkle Materie-Wolke kann eine hohe Masse haben, aber die einzelnen Teilchen sausen trotzdem frei umeinander herum.
Kurze Frage:
Wie würde man denn diese Schwarzen Löcher mit weniger als einer Sonnenmasse von z.B. Neutronensternen unterscheiden? Oder mit anderen Worten: Wie erkennt man, dass die Wellen von den Objekten mit weniger als einer Sonnenmasse Schwarze Löcher sind?
@Patrick Müller:
Die beiden müsste man doch eigentlich an der Abgabe elektromagnetischer Strahlung erkennen können. Schwarze Löcher können extreme Leuchtkräfte entwickeln, benötigen dazu aber eine Materiezufuhr und können daher stark schwanken. Die erzeugte Strahlung wird in der Akkretionsscheibe erzeugt, also definitiv außerhalb des Schwarzschild-Radius. Bei Neutronensternen stammt ein Großteil der Strahlung dagegen von der Oberfläche. Im einen Fall müsste es harte Gammastrahlung sein, im anderen viel Infrarot- bis hinauf zu Röntgenstrahlung.
Herr Freistetter eine Frage: Ein SL ist doch abgesehen von einer Massenansammlung – über die wir aufgrund des Ereignishorizonts nichts sagen können – auch eine Art infiniter Raumzeitkrümmung, ein ‚bodenloser Trichter‘ in der Raumzeit. Ist diese Sichtweise korrekt?
Schwarze Löcher von weniger als einer solaren Masse können nciht einfach so entstehen, weil die Masse dazu auf einen gewissen (und recht kleinen) Raum komprimiert werden muß. Kleinere Sterne bekommen diese Kompression nicht hin – größere Sterne (Chandrasekhar-Grenze: ab 1,5 solare Massen) können das automatisch.
@Bullet: „Schwarze Löcher von weniger als einer solaren Masse können nciht einfach so entstehen, weil die Masse dazu auf einen gewissen (und recht kleinen) Raum komprimiert werden muß. „
Ja – aber ich hab ja auch erklärt dass diese Art von Löchern nicht aus Sternen sondern primordial entstanden sein müssen (wenn es sie gibt).
@pane
Das und die relative Häufigkeit der Elemente, die nach dem Urknall im Feuerball entstanden. Die leitet sich ab aus der Dauer, über die eine gewisse Temperatur und Dichte des Feuerballs bestanden hat, und die Dauer hängt wiederum von der Expansionsgeschwindigkeit ab. Daraus kann man ableiten, wieviel Masse überhaupt da war und wieviel in Form von Baryonen. Und daher weiß man, dass etwa 4-mal so viele Nicht-Baryonen wie Baryonen die Expansion gebremst, aber nicht an der Elementerzeugung teilgenommen haben. Dieses Massenverhältnis passt auch zu dem, das als unsichtbarer Massenteil in Galaxienhaufen gemessen wird. Und auf die Struktur der Hintergrundstrahlung hat es auch einen Einfluss (den ich allerdings gerade nicht parat habe).
@Bullet
Die Chadrasekhar-Grenze liegt bei gut 1,4 Sonnenmassen und trennt die weißen Zwerge von den Neutronensternen.
Die Massengrenze zwischen Neutronensternen und schwarzen Löchern heißt Tolmann-Oppenheimer-Volkoff-Grenze, ist nicht genau bekannt und liegt irgendwo zwischen 2,0 und 3,2 Sonnenmassen. Einen Neutronenstern von 2,01 Sonnenmassen hat man jedenfalls schon gefunden. Ich meine, irgendwo mal die Zahl 2,8 als wahrscheinlichsten Wert gelesen zu haben.
@Bullet:
Nun, es gibt natürlich diese Grenzen – für Sterne, und das mit der höhere Metallizität von Population-I(I)-Sternen. Ich glaube aber, die Frage zielte auf noch existierende primordiale Schwarze Löcher, und die könnten dann auch in der Gewichtsklasse von Neutronensternen liegen. Oder vielleicht auch nicht…
@pane
Aus der Gravitation. Angefangen hat es gemäß der Inflationstheorie von Alan Guth mit einem kleinen Volumen falschen Vakuums, das nur ein paar Gramm Masseäquivalent hatte (aber auf winzigem Raum, eine Dichte von 10^86 g/cm³ [? kann auch falsch erinnert sein]). Dieses expandierte inflationär, wobei jeder entstandene Kubikzentimeter wieder diese Dichte hatte, die als reine Vakuumenergie existierte. Die Vakuumenergie führte gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie zu einem negativen Druck, der wiederum eine gravitative Abstoßung verursachte, die den Raum auseinander trieb.
Die hinzugekommene Vakuumenergie wurde durch die potenzielle Energie der Gravitationsanziehung der entsprechenden Masse genau aufgewogen (gemäß Lawrence Krauss, „Ein Universum aus dem Nichts“).
Vakuum heißt aber im Prinzip nichts anderes als leerer, kalter Raum (tatsächlich kühlte sich das Vakuum während der Inflation extrem ab), von der Vakuumenergie hätte man bis auf die Expansion nichts bemerkt, man hätte sie nicht anzapfen können, weil sie der niedrigste Energiezustand im damaligen Raum war. Das änderte sich, als das Vakuum in einen niederigeren Energiezustand tunnelte und die Vakuumenergie als Strahlung freigab. Der Raum war plötzlich von immenser Strahlung erfüllt, die das Massenäquivalent der inflationären Vakuumenergie hatte. Man spricht von „Reheating“, weil der Raum nun wieder sehr heiß war.
Aus dieser Strahlung entstanden dann Materie und Antimaterie, die sich bis auf einen winzigen Teil wieder zu Strahlung vernichteten. Der winzige Teil sind sichtbare und dunkle Materie.
So jedenfalls die Inflationstheorie.
Äh … ach so. Über die Schiene. Okay. Mißverständnis.
@pane und Alderamin
Wobei es in der Allg. RT sowieso für das Universum als ganzes keine Energieerhaltung gibt – jedenfalls hat meines Wissens noch keiner einen Weg gefunden, sauber zu definieren, was der Energiegehalt des Universums als ganzes sein soll. (Korrigiert mich, falls ich mich irre..)
@MartinB
Da hast Du natürlich recht – Niels hat ja auch immer darauf hingewiesen. Photonen, die aufgrund der Expansion des Universums rotverschoben werden, verlieren Energie. Vielleicht muss man ja trennen zwischen der reinen Expansion, wo alles an seinem Ort verbleibt und die potenzielle Energie nur durch den zusätzlichen Raum wächst, und einer Bewegung durch den Raum, die energietechnisch problematisch zu beschreiben ist.
Trotzdem vertritt und propagiert Lawrence Krauss, der immerhin Professor für Astrophysik ist und das natürlich weiß, die Nullenergie-Universums-These (nicht zufällig habe ich ihn in der Klammer als Quelle genannt); Steven Hawking und Alexei Filippenko übrigens auch. Denen mag ich als Laie ungern widersprechen 🙂
Eine Diskussion über die Sinnhaftigkeit des Zero-Energy-Universums mit Herleitung in der zweien Antwort findet sich auf Stack Exchange.
Jedenfalls entbehrt die Idee nicht einer gewissen Eleganz zur intuitiven Erklärung der Frage, wo denn die Materie herkommt. Ist wohl so ähnlich wie bei den virtuellen Teilchen und der Hawking-Strahlung.
Physiker und Kosmologen haben in Geschichte vermutlich eine 6, zumindest in Physikgeschichte.
Denn sie vergaßen, dass Kepler für die Herleitung seines dritten Gesetzes nur Daten einer Sonne mit ihren (damals noch) 6 Planeten zur Verfügung hatte. Deswegen besteht nicht der geringste Grund in Galaxien Rotationskurven zu erwarten, die Keplers drittem Gesetz folgen. Deswegen besteht auch keinerlei Grund, überhaupt Dunkle Materie annehmen zu müssen.
https://www.dropbox.com/s/97ewv7lbn5hicy4/EFa-Theorie.pdf?dl=1
@Nicht_von_Bedeutung: „Physiker und Kosmologen haben in Geschichte vermutlich eine 6, zumindest in Physikgeschichte. Denn sie vergaßen, dass Kepler für die Herleitung seines dritten Gesetzes nur Daten einer Sonne mit ihren (damals noch) 6 Planeten zur Verfügung hatte.“
Von was Physiker und Kosmologen auf jeden Fall Ahnung haben ist die Mathematik. Und die sagt uns, dass die Keplerschen Gesetze nur eine andere Form sind Newtons Gravitationsgesetz aufzuschreiben. Und dass das universell gilt zeigen die Beobachtungen.
Aber das interessiert dich alles wohl eh nicht; du wolltest wohl nur den Link zu dieser Privattheorie anbringen…
@Alderamin:
Ich will und kann den hohen Herrn auch nicht widersprechen. Aber ob die ART für diesen Zustand gültig war, weiß man doch nicht. Von wg gegensätzlicher Vorhersagen der QT. Ok, Quanten scheint es auch noch nicht gegeben zu haben.
Wenn dunkle Materie aus schwarzen Löchern besteht, dann kann sie ja nicht überall sein. Also, man kann sich relativ sicher sein dass hier im Sonnensystem kein einziges schwarzes Loch ist. D.h. wenn man die Bewegung der Objekte im Sonnensystem misst und dennoch dunkle Materie zur Erklärung benötigt dann kann man wohl Ausschließen dass da schwarze Löcher im Spiel sind, oder?
@Ollie: “ D.h. wenn man die Bewegung der Objekte im Sonnensystem misst und dennoch dunkle Materie zur Erklärung benötigt“
Das ist allerdings nicht der Fall. Widerspricht aber eben keiner der Erklärung. Im Teilchen-Bild geht man davon aus dass die Teilchen der DM halt enorm dünn gesäht sind und man deswegen nur über große Distanzen genug zusammenkriegt um nen Effekt zu messen (eben wenn man ganze Galaxien betrachtet zB). Und im SL-Bild liegt es halt daran, dass in unserer Nähe kein SL ist.
Hieß es nicht einmal, eine Gruppe von Forschern hätte nach Anzeichen von Dunkler Materie im Sonnensystem gesucht, wäre aber erfolglos geblieben? Zwei Gründe wären dafür denkbar.
1. Es gibt keine Dunkle Materie im Sonnensystem.
2. Es gibt so wenig Dunkle Materie im Sonnensystem, dass die von ihre verursachte Gravitation im Rauschen der Messungen untergeht.
Antwort 1) würde die Physiker so richtig ans Grübeln bringen, Antwort 2) passt dagegen recht gut in die Vorstellung, die man von der Dunklen Materie hat.
Mir kommt da die Idee in den Sinn, die ich vor einige Zeit hier im Blog geschrieben hatte. Was wäre, wenn die seltenen Interaktionen (vermutlich über die schwache Kernkraft) zwischen Dunkler und baryonischer Materie die Hauptursache dafür wäre, dass bestimmte Isotope zerfallen?
Und bevor ihr diese Idee (mal wieder) zerlegt, noch ein paar Erläuterungen dazu: Man hat für jedes bekannte instabile Isotop, das man gründlich genug hat untersuchen können, eine Halbwertszeit ermittelt. Das ist eine statistische Größe, die wieder und wieder bestätigt wird. Es gibt keinen Hinweis, dass diese Werte zu einer anderen Zeit oder an einem anderen Ort anders gewesen sein könnte. Eine entsprechende Interaktion mit Neutrinos kann es daher nicht geben, da man den messen kann und daher weiß, dass der Neutrinobeschuss schwankt, vor allem verursacht durch unsere Sonne.
Nur stellt sich die Frage, wieso ein Atom nach Nanosekunden oder Jahrmilliarden von Jahren nach seiner Entstehung (etwa bei einer Supernova) plötzlich zerfällt. Wir wissen, dass man bestimmte Isotope durch Beschuss mit Neutronen dazu bringen kann, sich zu spalten oder zu transmutieren. In dem Fall ist natürlich Energie in das System eingebracht worden. Warum sollte ein Atom sich aber verändern, ohne dazu angestoßen worden zu sein? Wenn sich nun die Verteilung der Dunklen Materie in einem von uns so einigermaßen überschaubaren Teil des Universums seit Jahrmilliarden praktisch nicht verändert hätte, wäre es zumindest denkbar, dass durch die seltenen Interaktionen mit baryonischer Materie ein klein wenig Energie in die Atomkerne gesteckt würde, die dadurch dann dazu angeregt würden, beispielsweise ein Alphateilchen vom Kern abzuspalten. Die Liste der Halbwertszeiten hinge damit zu einem Gutteil davon ab, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Atomkern des betreffenden Isotops mit der Dunklen Materie interagiert.
Nachzuweisen wären solche Effekte naturgemäß praktisch gar nicht, was einen nicht abzustreitenden Nachteil dieser Idee darstellt. Woran sollte man es festmachen, ob ein erfolgter Zerfall aus sich heraus erfolgt ist oder von außen durch nicht nachweisbare Partikel angeregt wurde? Letzte Frage: Würde dieser Effekt nicht geradezu verlangen, dass Dunkle Materie keine WIMPs wären, sondern etwas viel, viel leichteres (z.B. Axionen)?
@Ollie
Die dunkle Materie im Sonnensystem macht, wenn man sie als gleichverteilt in der Milchstraße annimmt, nur die Masse eines mittleren Asteroiden aus, das stört die Planeten nicht. Auf 4 Lichtjahre Radius kommt etwa ein Stern und 4 Sonnenmassen dunkle Materie.
Ob sich im Sonnensystem dunkle Materie befindet, hängt natürlich davon ab, wie groß die Teilchen sind. Es sind im Mittel etwa drei Protonenmassen pro Kubikmeter, d.h. in Form von Elementarteilchen wären sie überall. Aber wenn sie in Form von schwarzen Löchern von 30 Sonnenmassen vorliegt, dann würde man im Umkreis von 10 Lichtjahren vielleicht eines erwarten. Theoretisch könnten es auch kleine schwarze Löcher von Asteroidenmasse sein, dann könnte eines davon im Sonnensystem herumschwirren. Wir würden es nicht bemerken, es wäre mikroskopisch klein, und die geringe Schwerkraft würde sich auch nicht an anderen Objekten im Sonnensystem bemerkbar machen.
@Captain E
Radioaktiver Zerfall beruht doch auf dem Tunneleffekt und ist m.W.n. mit der Schrödinger-Gleichung berechenbar. Es gibt einfach eine gewisse, geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Teil des Kerns die Potentialbarriere der starken Kernkraft überwindet. Das kann im Einzelfall nach sehr kurzer oder sehr langer Zeit der Fall sein, im Mittel gehorcht es aber der Verteilung, die die Schrödingergleichung vorhersagt.
Davon unbenommen kann ein einschlagendes Neutron (oder sehr selten Neutrino bei gewissen Kernen) dem Kern natürlich zusätzlich Energie geben, so dass er mit hoher Wahrscheinlichkeit sofort zerfällt. Dunkle Materie braucht es dazu nicht, sonst wäre das beim Durchrechnen der Halbwertszeit aufgefallen.
Oder liege ich da falsch, MartinB?
Mind. zwei wären denkbar wenn man nicht schon mit Sicherheit wissen würde dass die DM, falls vorhanden, viel zu dünn gestreut ist und zusammengerechnet nur die Masse eines mittleren Asteroiden auf die Waage bringt.
Man könnte die Effekte (zu schnelle Umläufe der äußersten Planeten) zwar theoretisch beobachten, aber nur wenn wir die Genauigkeit der Messungen um ca. das 100.000-fache verbessern würden.
Was derzeit nicht in Aussicht ist…
https://scienceblogs.com/startswithabang/2013/07/03/does-dark-matter-affect-the-motion-of-the-solar-system/
Damit wären wir bei den verborgenen Variablen.
Die wurden zumindest für lokale QM Theorien experimentell ausgeschlossen. Gibts nicht.
In nicht-lokalen Theorien wäre grundsätzlich Platz für verborgene Variable. Da wurde aber nachgewiesen dass sie, falls vorhanden, prinzipiell nicht nachweisbar wären.
https://de.wikipedia.org/wiki/Verborgene_Variablen
https://de.wikipedia.org/wiki/Bellsche_Ungleichung
https://de.wikipedia.org/wiki/Kochen-Specker-Theorem
Hi,
bei Wiki und hier glaube ich auch heißt es, dass sich Dunkle Materie Teilchen bei Begegnung vernichten.
Müsste dann nicht deren Menge stetig abnehmen, weil es so viel davon gibt und deren Entstehung schon Milliarden Jahre her ist ?
Und was passiert, wenn sie sich in einem schwarzen Loch treffen ?
Wenn die vermuteten DM-Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sind, dann ja. Und wenn es keinen Mechanismus gibt, wie neue DM entsteht, müsste deren Menge stetig, aber relativ unbedeutend abnehmen.
In ein schwarzes Loch kannste schwer hineinschauen, aber da werden die sich wohl nicht mehr isoliert vom Rest treffen können 😉
Ein paar Gedankensprünge im Universum.
Das Universum ist genauer betrachtet ein Zusammenspiel zwischen der RaumZeit Komponente, der Gravitation- und Zentrifugalkraft sowie der elektromagnetischen Kraftentfaltung.
RaumZeit bedeutet Materie und Antimaterie (Materie im umgekehrten Zustand) in Verbindung mit Geschwindigkeit.
Dabei bleibt die RaumZeit nicht gleich.
Ihre Geschwindigkeit nimmt stetig zu laut den Verschiebungen im Lichtspektrum.
Unter Urknall sollte man sich einen sehr langen Prozess vorstellen können, der viel länger Zeit in Anspruch genommen hat bzw noch nimmt als von den meisten Wissenschaftler angenommen.
Der Urknall als solches ist ein stetiger, immer schneller werdender Entwicklungsprozess.
Die Zeit hat immer nur die Geschwindigkeit, welche sich beim jeweiligen Betrachter abspielt.
Im Jungen Universum verging die Zeit viel langsamer als gedacht.
Dabei spielen elektromagnetische Wellen bzw dessen Anziehungskraft eine große Rolle, als Antriebsenergie für die weitere stetige Ausdehnung unseres bekannten Universums.
Eine weitere Komponente ist das Wechselspiel zwischen Gravitation- und Zentrifugalkraft.
In Verbindung mit der RaumZeit Komponente sind die uns bekannten Schwarzen Löcher überdimensionale Staubsauger, welche Energien umwandeln und neu zusammen stellen.
Man betrachte sie als Antriebskonzept einer jeden Galaxie (im Mittelpunkt einer jeden Galaxie).
All die uns bekannte Materie und Antimaterie zusammen gefasst ist seit dem Urknall in einer Ausdehnungsphase.
Sollte es noch weitere Universen geben wird es irgendwann eine neue Verschmelzung geben.
Ach ja? Und wo bitteschön sind da die Starke und die Schwache Kernkraft?
Fragen
Unsere Milchstraße hat einen Halo, der einerseits aus sichtbarer Materie besteht und andererseits eine Gravitationsmulde (Raumzeitkrümmung) aufweist. Im Zentrum ist ein besonders schweres Schwarzes Loch. Was geschied dort? Materie wird so stark verdichtet, dass es keinen Abstand mehr, zwischen den Teilen der Atome und untereinander, gibt. Dazu muss die starke Atomkraft verschwinden. Bedenkt man alleine, wie sich die Bewegungen in einem Atom bei einer Kompremierung in einem SL verhalten (vergleiche Neutonenstern), ahnt man welche Energien entstehen. Könnte man also sagen, dass ein SL Energie in Dunkle Masse umwandelt? Also Energiemasse aus seiner Dimension transferiert. Mit der Optik dieser Dimension würden wir die SL, Dunkle Energiemasse und sichtbare Materie miteinander interagieren sehen.
Verbleibt die Elektromagnetische Ww beim LS?
Könnte Dunkle Energiemasse Elektromagnetisch wechselwirken, oder ist das schon Gravitation?
@Laienbild:
Nein, warum sollte ein Schwarzes Loch so etwas tun? Es ist ja nicht einmal besonders effizient darin, Dunkle Materie zu akkretieren. Warum? Nun, baryonische Materie wechselwirkt mittels aller vier Grundkräfte und im Gegensatz zur Dunklen Materie vor allem mit der elektromagnetischen. Dadurch kann sie sich aneinander reiben und abbremsen. Das geschieht in den Akkretionscheiben der Schwarzen Löcher. Sobald sie ausreichend abgebremst wurde, fällt die Materie dann hinein. Dunkle Materie kann das nicht und fällt also höchstens in das Schwarze Loch bei einem direkten Treffer. Allerdings ist so ein Schwarzes Loch ein ziemlich kleines Ziel, so dass der Großteil der Dunklen Materie einfach vorbeifliegt.
Peter L
Genau diese Überlegung so wie du sie formuliert hast geistert mir lange durch den Kopf. Warum wird SM, da er Masse besitzt und in gravitonische Wechselwirkung mit anderen Massen steht, nicht von
SL s angezogen und verschluckt. Wenn Ja, wo bleiben die üblichen Bursts und Strahlung im Falle eines Zusammenstosses?
Besteht SM, aus premordial entstandenen mini schwarze Löchern, so sollten bei Zusammenstössen ähnliche Effekte feststellbar sein, wie wenn baryonische Materie im SL verschwindet oder nicht?
@Alice:
Hm, wer oder was soll eigentlich „SM“ sein? Falls du aber die vermutete nicht-baryonische „Dunkle Materie“ meinst, so ist die Antwort ganz einfach (und steht auch schon ein paar Beiträge weiter oben):
Dunkle Materie wechselwirkt über Gravitation und Schwache Wechselwirkung miteinander und mit baryonischer Materie. Die Starke Wechselwirkung und vor allem der Elektromagnetismus spielen für die Dunkle Materie aber überhaupt keine Rolle. Ohne Elektromagnetismus kann die Dunkle Materie sich aber nicht verklumpen. Sie kann sich auch nicht reiben und dadurch Energie abstrahlen, und diese Strahlung wäre ja auch wieder elektromagnetisch. Wenn sich baryonische Materie einem Schwarzen Loch nähert, reibt sich aneinander, wird heiß und strahlt, und jeweils ein Teil fällt in das Schwarze Loch hinein oder wird von den extrem starken Magnetfeldern des Schwarzen Lochs fortgeschleudert. Der Teil der baryonischen Materie, der hineinfällt, wird kanalisiert. Das funktioniert mit Dunkler Materie aber eben überhaupt nicht. Also fällt ein winziger Teil davon ins Schwarze Loch hinein, der überwiegende Teil dagegen einfach daran vorbei. Schwarze Löcher sind eben sehr, sehr kleine Objekte, die man leicht verpassen kann.
Der Zusammenstoß von stellaren und superschweren Schwarzen Löchern mit hypothetischen primordialen „Artgenossen“ sollte sich meines Erachtens fast nur per Gravitationswellen bemerkbar machen. Da die primordialen Schwarzen Löcher aber wohl eher klein sein dürften, wären die entstehenden Gravitationswellen wohl nur schwach und somit schwer zu messen, schätze ich.
@Alice
Wenn mit SM die Dunkle Materie gemeint ist: die wird sehr wohl von Schwarzen Löchern angezogen, aber Schwarze Löcher sind keine Staubsauger, auch um sie gibt es Kepler-Orbits (Elllipsen, Parabel, Hyperbeln) und wegen der Energie- und Impulserhaltung kann da nichts hineinfallen, das sie nicht entweder frontal trifft (und Schwarze Löcher sind im Vergleich zur enthaltenen Masse winzig) oder seine Energie vorher irgendwie los wird/abstrahlt. Gerade letzteres funktioniert bei DM nicht, wie Captain E. oben erklärt. Sie kann keine Akkretionsscheibe bilden und ihre Bewegungsenergie als Strahlung loswerden, wie die normale Materie das tut. D.h. es trifft höchstens gelegentlich ein DM-Teilchen ein Schwarzes Loch bei einem Frontaltreffer und verursacht dabei keine Strahlung, die wir beobachten könnten.
Nein, Captain E. hat auch da recht, die Verschmelzung von Schwarzen Löchern geht ohne elektromagnetische Strahlung vor sich (wenn keine Akkretionsscheiben mit im Spiel sind), deswegen hat man letztes Jahr auch lediglich die Verschmelzung zweier Neutronensterne außer durch Gravitationswellen auch optisch und in Röntgen- und Radiowellen nachweisen können. Bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher gibt es nur Gravitationswellen zum Nachweis.
Captain E, und Alderamin.
Danke für die „einleuchtende“ und ausführliche Antwort auf meine Frage. mit „SM“ war natürlich wie vermutet „DM“ gemeint. Mein Fehler. Ich dachte mehr an Gravitation der grossen schwarzen Löcher, wenn jedoch schwarze Materie nicht verklumpen kann somit auch keine Eigengravitation entwickeln kann der mit dem Gravifeld eines schwarzen Lochs nicht wechselwirken kann, ist einleuchtend. Trotzdem könnte man eventuell mit Umlaufbahnen von Dunkler Materie um ein grosses schwarzes Loch spekulieren. Oder bleibt Schwarze Materie als „Holon“ an gleicher Stelle? Kann darf man überhaubt annehmen, oder vermuten das Schwarze Löcher und Schwarze Materie ohne Wechselwirkung miteinander in gleichem Raum „existieren“.?
@Alice
Sie kann sich nicht verdichten, aber Eigengravitation entwickelt sie schon, in entsprechender Menge. Sie bildet um Galaxien große Halos, in denen die Teilchen ihre Bahn um den gemeinsamen Schwerpunkt ziehen. Die Gravitation dieser Halo-Wolke hält die Galaxie dann zusammen (die dunkle Materie wie auch die leuchtende).
Auf der Stelle bleiben kann im All nichts, ohne Bewegung keine Orbits. Die dunkle Materie umkreist aber eben die Milchstraße insgesamt, nicht nur deren zentrales schwarzes Loch, das mit 40 Millionen Sonnenmassen weniger als 1/10000 der Masse der Milchstraße hat.
Wenn ein Teilchen (dunkle Materie oder Asteroid oder Planet, ganz gleich) zufällig in Richtung des schwarzen Lochs fällt, dann wird es schneller, weil es im Schwerefeld des schwarzen Lochs fällt (das gilt genau so für ein Objekt, das auf die Sonne zufliegt, oder einen Stein, den man fallen lässt; abgesehen von der großen Masse und damit größeren Fallbeschleunigung des supermassiven schwarzen Lochs gibt es da keinen Unterschied). Es gewinnt dabei genügend Geschwindigkeit, um sich mit dem erhaltenen Schwung nach dem Vorbeiflug genau so weit von dem schwarzen Loch zu entfernen, wie seine Entfernung zu Beginn war. Das ist wie bei einem Pendel: wenn man es aus der Ruhe in einer bestimmten Auslenkung loslässt, wird es schneller und erreicht auf der gegenüberliegenden Seite, wie auch bei der Rückkehr, wieder die gleiche Höhe, aus der es losgelassen wurde (wenn man den Luftwiderstand, den es im All nicht gibt, vernachlässigt).
Wenn also die DM-Teilchen aus großer Entfernung zum schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße fallen, dann fallen sie (außer bei einem Frontaltreffer) daran vorbei, wieder in große Entfernung zurück. Dort kehrt sich die Bewegung um und es beginnt von vorne, wie beim Pendel. So entsteht eine Ellipsenbahn, die möglicherweise relativ eng am schwarzen Loch vorbei führt, es aber regelmäßig verfehlt (das würde jedenfalls gelten, wenn sonst keine Materie da wäre, aber die zahlreichen Sterne und andere dunkle Materie sorgen für wesentlich kompliziertere Schleifenbahnen).
Um näher ans schwarze Loch heranzukommen, muss das Teilchen mit einem ihm begegnenden Objekt (das müsste dann schon so etwas massives wie ein Stern sein) Energie austauschen. So, wie es bei einem Swingby von einer Raumsonde an einem Planeten passiert. Dabei kann die Bahn dann enger werden, oder auch weiter, je nahc der Geometrie bei der Begegnung. In der unmittelbaren Umgebung des schwarzen Lochs sind nur ein paar Sterne, so dass die Chance, dass ein DM-Teilchen eine enge Umlaufbahn gerät, klein ist, und der nächste Vorbeiflug des Sterns lenkt es vielleicht wieder auf eine Bahn, die weiter nach außen führt. Eine Wolke aus dunkler Materie eng um das schwarze Loch kann sich so kaum ansammeln.
Gewöhnliches Gas kann hingegen mit sich selbst kollidieren, Energie als Wärme abstrahlen und so allmählich nach innen rücken und eine rotierende Scheibe bilden. DM kann das eben nicht.
Hier gibt‘s übrigens eine schöne Animation, die die Bewegung der Sterne in den innersten paar Lichtjahren um das schwarze Loch in den vergangenen 17 Jahren zeigt. Das ist schon der Wahnsinn, wie schnell die sich bewegen – unsere Sonne bräuchte 10000e Jahre, um solche Entfernungen zurückzulegen, die die Sterne hier in ein paar Jahren überwinden.
Die dunkle Materie sollte überall in der Milchstraße sein, und am dichtesten in ihrem Zentrum. Nur halten sich nicht immer dieselben Teilchen dort auf, sondern es fallen immer neue von außen zum Zentrum, um sich nachher wieder zu entfernen. Sie halten sich also mit dem schwarzen Loch im gleichen Raum auf und wechselwirken auch mit ihm – das schwarze Loch beschleunigt die Teilchen und schleudert sie wieder von sich weg. Hin und wieder wird wohl auch das eine oder andere verschluckt werden. Es würde aber unendlich lange dauern, bis das schwarze Loch die im Zentrum vorbeisausende dunkle Materie nennenswert dezimiert hätte, weil es vergleichsweise winzig ist und von fast allen Teilchen andauernd verfehlt wird.
Klingt alles plausibel jedoch da wir keinen unmittelbaren Beweis für SM haben,schon gar nicht als „Teilchen“ identifiziert, bleiben einige Annahmen auf spekulativer Ebene. Und dann noch die Frage, Wie ein millionen Sonnenmassen SL so gross werden konnte, ohne Sterne oder SM in Unmengen zu verschlucken?
Hin und wieder passiert es dennoch dass zwei Neutronensterne oder schwarze Löcher miteinander verschmelzen und messbare Graviwellen erzeugen. Also hat jede Umlaufbahn, Schleifenbahn oder Swing by oder eine Pendelbewegung, ingendwann ein Ende, wenn auch nur in Milliarden Jahren messbar, ein Zusammenstoss der baryonischen Materie innerhalb Galaxien, zuerstmal unter sich selber, unvermeidbar. Wie Dunkle Materie mit der Baryonischen, währenddessen wechselwirkt, und wieweit man bei der dunklen Materie überhaubt von Bewegung sprechen kann, wenn die einzige Wechselwirkung mit baryonischer Materie, Gravitation sein soll, ist noch schwierig zu verstehen.
@Alice:
Die Gravitation ist aber nicht die einzige Wechselwirkung zwischen baryonischer und nicht-baryonischer Materie. Es gibt auch noch die Schwache Wechselwirkung. Die ist um einiges stärker als die Gravitation, hat aber eine extrem geringe Reichweite. Und doch: Neutrinos lassen sich nur nachweisen, indem sie mit baryonischer Materie wechselwirken, und das dürfte nicht die Gravitation, sondern gerade eben die Schwache Wechselwirkung sein. Und da man die Neutrinos kennt und auch nachweisen kann, hat man zumindest schon einmal einen kleinen Teil der Dunklen Materie. Sie sind zu leicht und zu wenige, um die gesamte Dunkle Materie sein zu können und zu schnell (= zu heiß) sind sie auch. Ansonsten stellt man sie die Dunkle Materie genau so vor: Wechselwirkung mit baryonischer Materie nur über Gravitation und Schwache Wechselwirkung.
Was die supermassiven Schwarzen Löcher angeht, so hängt wohl einiges daran, wie groß die Population-III-Sterne wirklich haben werden können. Da die Sterne im frühen Kosmos sehr, sehr viel größer gewesen sein müssen als „moderne“ Sterne, sind sie (fast) alle schon lange weg und man sieht sie heute nicht mehr. Es gilt ja: Je größer ein Stern, desto kürzer seine Lebensdauer. In einem Online-Artikel im Spektrum der Wissenschaft habe ich vor einiger Zeit gelesen, dass die Astronomen einen großen Stern entdeckt hatten, der deutliche Anzeichen für das nahende Ende zeigte. Irgendwann haben sie noch einmal hingeschaut und er war einfach weg, und zwar anscheinend ganz ohne Supernova und ausgeworfenem Nebel. Ganz besonders riesige Sterne können scheinbar auch lautlos sterben, und dann dürfte der größte Teil der Sternmaterie im Schwarzen Loch verschwinden. Vielleicht haben noch größere Giganten der Population III den Keim für die supermassiven Schwarzen Löcher mit Millionen und Millarden Sonnenmassen gelegt?
@Alice
Die wesentliche Annahme ist, dass die Teilchen nicht elektromagnetisch wechselwirken, was der Beobachtung entspricht (sonst würden sie sich wie ein Gas verhalten) und dass sie keine baryonische Materie sein können, die aus Materie entstanden ist, die einmal als Wasserstoff- oder Helium im All vorlag, weil deren Menge gemäß der Theorie der Nukleogenese nicht groß genug gewesen sein kann, um alle DM zu erzeugen (sonst hätte man heute ein anderes Mengenverhältnis von Wasserstoff zu Helium, Deuterium und Lithium).
Neben bisher unbekannten Elementarteilchen sind primordiale Schwarze Löcher sehr kleiner oder sehr großer (im Vergleich zu stellaren SLs) Masse mögliche Alternativen. Also Schwarze Löcher, die während des Urknalls vor der Entstehung von Helium und anderen Elementen schon entstanden wären (und jetzt beispielsweise Gravitationswellen verursachen, wenn sie verschmelzen). Auch solche Objekte sind klein genug, dass sie sich wie „Teilchen“ verhalten, d.h. sie treffen sich äußerst selten. Solch riesige „Teilchen“ wären für die gleiche Massendichte der Dunklen Materie wesentlich dünner gesät als echte DM-Elementarteilchen und träfen sich deshalb auch bei größerem Durchmesser nur selten direkt.
Wie sich die Dunkle Materie in Galaxien verteilt, kann man an der Bewegung der sichtbaren Sterne und an Gravitationslinseneffekten auf Hintergrundgalaxien nachsweisen, und da zeigt sich eine haloförmige Verteilung, die der Bewegung entspricht, die ich oben beschrieben hatte.
Wohl einfach, indem bei der Entstehung von Galaxien so viel Materie in die Galaxie einströmt, dass genug Material im Zentrum zusammen kommt. Man hat supermassive Schwarze Löcher schon in sehr jungen Galaxien gefunden, der Entstehungsprozess muss also vergleichsweise schnell ablaufen. Ein Quasar ist z.B. nichts anderes, als ein Schwarzes Loch, das gerade maximal gefüttert wird.
Alternativ ging die Entstehung über Riesensterne der Population III, die in kurzer Zeit zu Schwarzen Löchern wurden, die dann in der Galaxis nach innen wanderten und dort verschmolzen. So einen Effekt kennt man von der Verschmelzung von Galaxien, bei denen die zentralen Schwarzen Löcher nach innen wandern, indem sie Sterne nach außen katapultieren. Was einen dritten Mechanismus zum Wachstum supermassiver SLs liefert: Verschmelzung von kleineren Galaxien.
Was davon der dominante Prozess ist, ist noch Thema der Forschung, aber es sieht recht gut aus für den ersten.
Ja, aber wenn die Umlaufbahnen nicht sehr eng sind, dauert die Annäherung viel länger als das Alter des Universums, und es muss zuallererst auch mal eine Umlaufbahn überhaupt bestehen, d.h. die Objekte müssen zusammen aus der gleichen Gaswolke entstanden sein. Doppelsterne entstehen oft so zusammen. Manchmal schwillt der eine zum Riesen, so dass der andere von der Atmosphäre des ersten gebremst wird oder ihm Masse entzieht. Der Transfer kann sich nachher auch wieder umkehren, wenn der zweite Stern zum Riesen wird. Jedenfalls können beide zu massiven Objekten werden, die sich eng genug umkreisen, so dass sie durch Abstrahlung von Gravitationswellen schließlich die Restdistanz überwinden und verschmelzen.
Das ist aber nicht vergleichbar mit einem DM-Teilchen, das zufällig am Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbei fliegt.
Wieso, die Bewegung von Massen unter der Gravitation ist doch gut verstanden (Geodäten in der gekrümmten Raumzeit; jedes Teilchen muss diesen folgen, selbst Licht).
Höchstwahrscheinlich wird es so sein,
Ich möchte hier mal Sir Arthur Conan Doyle zitieren :
Wenn man alles Unmögliche ausgeschlossen hat, muss
das was übrig bleibt die Lösung sein.
D.h. all jene hier im Blog aufgezählten
möglichen Kandidaten für die DM,
die nicht den Beobachtungen widersprechen.
So wie sich das für mich darstellt werden wir deren Zusammensetzung aufgrund ihrer Verteilung oder fehlenden Erfassungsmethoden aufgrund ihrer geringen Interaktion mit dem Rest der Materie nie restlos aufklären können.
Nachmals Dank an Alderamin für die ausführliche Einlassung bezüglich meiner Fragen.
Trotzdem ein Paar Einwände, Fragen) was gravitative Geodäten betrifft.
Nehmen wir den hypotetischen Fall von einem Planeten der nicht wie üblich kugelförmig ist sondern LKW Reifenförmig oder Donathförmig ist. Auch wenn wir Rotations und Fliehkräfte auser acht lassen, würde die „Gravi-Geodäten“ anders verlaufen, als bei einer Kugelplanet. Auf diesem Planeten würden wir sobald wir Aufenthaltsort wechseln auch anders wiegen.Im Aussenkreis und Innenkreis des Planeten würden andere Gravitations und Gewichtsveränderungen stattfinden. Wären die überhaubt mathemathisch messbar?
Oder zweiter Hypotetischer Fall; Innerhalb unsere Erde um Erdmittelpunkt herum wäre ein Vakuumkugel Blase von erheblicher Grösse sagen wir mal Mondgrösse. Wären wir auf dem „inneren“ Boden der Erde, so würden wir am meisten von der massereichen Ausseren Schale der Erde, angezogen, könnten sozusagen im inneren Boden der Erde aufrecht um den gesamten Vakuumkugel herum gehen können. Würden wir aber ins gedachte Erdmittelpunkt, ins Zentrum der inneren (im wahren Erdmittelpunkt) Vakuumkugel einen Eisenkugel plazieren, so wäre es gewichtslos und würde wie in Weltraum schweben als wäre Raumzeitkrümmung aufgehoben. Sehe ich das richtig deiner Meinung nach?
@Alice:
Im Prinzip dürftest du recht haben. Allerdings ist das, wie du schon selbst gesagt hast, eine rein hypothetische Konstruktion. Da könnte man sich genau so gut überlegen, wie das Leben auf einem Planeten aussehe, der ein fast perfekter Kubus oder Tetraeder wäre.
Das „hydrostatische Gleichgewicht“ zwingt Körper mit hinreichend großer Masse in eine annähernde Kugelform, und damit bleibt alles andere reine Gedankenspielerei.
@Alice
Was heißt „mathematisch messbar“? Die Kräfte wären sicherlich mathematisch berechenbar und physikalisch messbar. Ich kann Dir aber jetzt nicht aus dem Stegreif die richtige Formel aus dem Hut zaubern.
Nein. Dieser Fall ist ausnahmsweise einfach: man kann ausrechnen, dass das Innere einer Hohlkugel gravitationsfrei ist. Man würde dort schweben. Deswegen ist dieser Hohlwelt-Blödsinn im Internet so idiotisch.
Die Eisenkugel würde überall innerhalb der Hohlkugel schweben.
@Alice #54:
Sowas ist sehr präzise physikalisch mess- und mathematisch berechenbar, ja.
So fliegen z.B. ein paar Satelliten um die Erde, die deren Gravitationsfeld äußerst präzise kartieren.
In dieser hypotetischen Hohlkugelplanet (warum Blödsinnig, verstehe ich nicht ganz) ist eine Menge Masse. Die Masse als Materie an der „Schale“ müsste gravitativ aktiv sein. Ich denke man könnte auf dem „inneren“ Hohlplaneten mit dem Vakuumzentrum in Mondgrösse, durchaus aufrecht im inneren Boden gravitativ angezogen, gehen können. Auch aus einiger „relativ zum inneren Boden gesehener“ Höhe hätte man noch ein Gewicht und würde vom Boden der inneren Hohlkugel, gravitativ angezogen. Ich glaube eher das der Eisenkugel nur im berechneten Mittelpunkt gewichtslos im Schwebezustand wäre aber nicht überall im inneren Vakuum der Schalenstuktur des Hohlplaneten oder nahe dem inneren Boden. Man darf ja nicht vergessen das der Vakuumkugel oder besser gesagt Vakuumleere im inneren des Hohlplaneten keinen eigenen Gravitationsfeld besitzt. Somit die Gravitativen Kräfte nicht, die eines Kugelförmigen Masse sind. Somit denke ich, müssten die gravitativen Geodäten einer Hohlkugel anders aussehen und anders wirken wie in einem normalen Kugelplaneten.
Captain E.
Das “hydrostatische Gleichgewicht” zwingt Körper mit hinreichend großer Masse in eine annähernde Kugelform, und damit bleibt alles andere reine Gedankenspielerei.
Ich weiss es ist rein hypotetischer Fall. In der Realität ist ein Hohlkugelplanet kaum denkbar, aus den. von dir angeführten Punkt.
Mir geht es nur darum Funktionsweise der Gravitation, der nach Einstein ein geometrische Kraft oder Phänomen sein soll, besser zu verstehen und zu begreifen. Weil mir der klassische „Spanntucht mit Kugeln“ Beispiel für Gravitation eher auf die Nerven geht als nachvollziehbar aufklärend wirkt. Ich mir ohne eine zusätzliche Dimension (den der Mensch leider nicht hat) Gravitation vorstellen oder verstehen kann. Diese Gedankenspielerei soll mir vielleicht etwas zusätzliches über Gravitation verraten!
Alderamin
“ das Innere einer Hohlkugel gravitationsfrei ist “
Danke für den link. Sehr aufschlussreich. Habe nachträglich gelesen und mich gewundert. ich habe unrecht du hast recht!
@Alice
Bezog sich nicht auf Dein Beispiel (deswegen schrieb ich extra „im Internet“), sondern auf die Hohlwelt-Verschwörungstheorie. Natürlich kann man darüber nachdenken, wie das Schwerefeld in einer Hohlkugel aussehen könnte. Kann mich erinnern, dass wir das im Physik-Leistungskurs in der Oberstufe mal gerechnet hatten.
Konsequenz ist, dass für Gravitation innerhalb einer Vollkugel immer nur die Masse innerhalb des betrachteten Radius relevant ist. Da die nach innen immer kleiner wird (mit der dritten Potenz, das Volumen ist ja proportional zu r^3), nimmt in einer (homogenen) Vollkugel die Schwerkraft linear mit r ab (da die Schwerkraft bei konstanter Masse mit r^2 abnimmt: wenn man also näher ans Zentrum geht, nähme die Schwerkraft quadratisch zu, wenn die Masse nicht gleichzeitig kubisch abnähme – macht insgesamt eine lineare Abnahme).
Nur mal so in die Runde geschmissen. Besteht die Möglichkeit das ein schwarzes Loch Antimaterie erzeugt? In Verbindung gesehen mit dem (immer schneller werdenden) auseinander driften der Galaxien. Bzw. der allen Anschein nach verschwindenden Materie.
@S. R.:
Eher nein! Wie sollte das auch funktionieren? Und noch wichtiger: Wie sollte „frische“ Antimaterie die Expansion des Raums antreiben?
Wenn die primordialen Schwarzen Löcher hauptsächlich in den riesigen Halos der Galaxien umherwuseln, dann interagieren die doch kaum miteinander. Man wird also kaum Verschmelzungen von Schwarzen Löchern in den Galaxienhalos bei den Gravitationswellen-Detektoren sehen. Oder?
Viel eher sollten sie Gravitationslinsenereignisse auslösen. Aber davon sieht man ja nur sehr wenig, was also eher gegen die Theorie „Dunkle Materie = Schwarze Löcher“ spricht.