Eine Nacht Teleskopzeit schließt Schwarzes Loch/Dunkle Materie Idee aus.

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Ein Großteil des Universums verhält sich, als gäbe es dort mehr Materie, als wir sehen können. Die dunkle Materie erklärt dies, indem sie davon ausgeht, dass es Materie gibt, die wir nicht sehen können, und dass sich Beweise für diese Idee angesammelt haben. Im Gegensatz dazu haben sich die Beweise für die Identität der Dunklen Materie umgekehrt verhalten: Alles, was wir getan haben, um nach ihr zu suchen, ist leer geworden.

Das neueste Stück Leere wurde diese Woche veröffentlicht, und es scheint eine der möglichen verbleibenden Erklärungen für die dunkle Materie zu beenden: schwarze Löcher, die sich kurz nach dem Urknall gebildet haben und das Universum seitdem strukturieren. Während frühere Studien scheinbar größere Versionen dieser primordialen Schwarzen Löcher ausgeschlossen haben, schließt die neue Studie das Fenster zu etwas Massivem als einem großen Asteroiden. Und das alles mit nur einer einzigen Nacht Teleskopzeit.

Von Anbeginn der Zeit an
Schwarze Löcher wären scheinbar fantastische Kandidaten für die dunkle Materie, da sie schwarz sind und daher schwer zu erkennen sind. Aber es gibt eine Reihe von Gründen, warum sie nicht besonders gut funktionieren. Zum einen, während Licht zwar nicht aus einem schwarzen Loch entweichen kann, wird es aber oft in erstaunlichen Mengen durch das Material direkt außerhalb eines schwarzen Lochs produziert. Es ist also nicht klar, ob eine große Anzahl von schwarzen Löchern irgendwie unentdeckt bleiben könnte.

Dann ist da noch das Timing. Die einzigen schwarzen Löcher, die wir kennen, wurden durch den Tod von Sternen gebildet. Doch sowohl der kosmische Mikrowellenhintergrund als auch die Struktur des Universums selbst deuten darauf hin, dass die dunkle Materie von Anfang an vorhanden war.

Letzteres Problem wurde durch so genannte “primordiale Schwarze Löcher” gelöst. Diese wurden angenommen, um sich früh in der Geschichte des Universums zu bilden, als die Dichte der Materie viel höher war und bis heute anhält. Die Modellierung ihrer Formation deutete darauf hin, dass sich unter den richtigen Bedingungen genug bilden könnte, um die dunkle Materie zu erfassen.

Die Beweise waren jedoch nicht gut zu der Idee. Einige dieser Beweise stammen aus LIGOs Entdeckung der Gravitationswellen, die durch Schwarzlochkollisionen erzeugt wurden. Wenn die ursprünglichen Schwarzen Löcher schwer genug sind, wäre die Erkennungsrate viel höher als sie ist. Weitere Einschränkungen ergeben sich aus Studien über die so genannte “Mikrolinse”. Wir haben eine Reihe von Fällen identifiziert, in denen massive Objekte das Raumgefüge auf eine Weise verdrehen, die eine Linse bildet und Galaxien in der Entfernung jenseits des linsenbildenden Objekts vergrößern. Kleinere Objekte können dies in kleinerem Maßstab tun, was zu einer vorübergehenden Aufhellung einzelner Sterne führt.

Wenn primordiale Schwarze Löcher häufig wären, würden sie viele dieser kleineren Mikrolinsen-Ereignisse hervorrufen, und wir sollten sie erkennen können. Aber die engagierte Suche nach ihnen brachte nur sehr wenige der Ereignisse hervor, ebenso wie das Planetensuchteleskop Kepler, das mehrere Jahre lang ein großes Sternenfeld immer wieder anstarrte. Zusammengenommen deuteten diese darauf hin, dass alle ursprünglichen schwarzen Löcher extrem seltsam sein müssten und weniger wiegen als unsere Sonne.

Aber diese kleinen, ursprünglichen Schwarzen Löcher konnten aus theoretischen Gründen nicht ausgeschlossen werden. Dies veranlasste eine Gruppe japanischer Forscher, zu versuchen, sie aus Beobachtungsgründen auszuschließen.

Was ist Suprime?
Die Suche nach Mikrolinsen-Ereignissen ist relativ einfach: starren Sie einfach auf einen Haufen Sterne und warten Sie darauf, dass einer von ihnen aufleuchtet und verblasst, während sich ein dichtes Objekt über Ihre Sichtlinie bewegt. Die Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass Sie genügend Sterne betrachten, um die Erkennung wahrscheinlich zu machen. Eine Reihe von früheren Untersuchungen haben eine der Zwerggalaxien verwendet, die die Milchstraße umkreisen, um die Sterne zu versorgen. Die Dauer des Mikrolinsenereignisses hängt dann von der Masse des Objekts ab, das die Linse hält (kleiner bedeutet ein kürzeres Ereignis), sowie von der Geschwindigkeit, mit der es unsere Sichtlinie überquert, die wiederum mit der Entfernung zwischen uns und dem Objekt zusammenhängt.

Ermöglicht durch eine neue Teleskop-Hardware, beschlossen die japanischen Forscher, größer zu werden. Die Hardware ist so etwas wie die Hyper Suprime-Cam, ein 870 Megapixel Monster, das an einem 8 Meter Teleskop befestigt ist. Richtig konfiguriert, könnte es die gesamte Andromeda-Galaxie in einem einzigen Bild erfassen, und das etwa alle 90 Sekunden. Das ist schnell genug, dass selbst ein leichtes Schwarzes Loch während der Mikrolinse mehrfach erfasst werden kann. Um möglichst viele Ereignisse erfassen zu können, erhielten die Forscher eine ganze Nacht mit dem Teleskop für sich allein, mit sieben Stunden Gesamtbeobachtungszeit.

Das, so berechnen sie, würde sie viel kleinere Massen abdecken lassen, als wir es vorher gesehen haben. Am unteren Ende würde dies zu Schwarzen Löchern von etwa 10-14 Sonnenmassen führen – etwa in der Nähe der Masse des Asteroiden Eros. Während sich beim Tod von Sternen keine schwarzen Löcher dieses Massenbereichs bilden können, ist es möglich, dass sie sich früh im Universum gebildet haben.

So viele Pixel
Obwohl die Hyper Suprime-Cam viele Pixel hat, hat Andromeda noch mehr Sterne. Um einzelne Linsenereignisse zu erkennen, verwendete das Team eine Software, die aufeinanderfolgende Bilder verglich und alle Pixel hervorhob, die Veränderungen zwischen ihnen zeigten. Nach einer Nacht der Beobachtungen gab es mehr als 15.500 Ereignisse, die durchsucht werden mussten. Aber diese beinhalteten Dinge wie variable Sterne, Sternfackeln und Finsternisse in Doppelsternsystemen. Die Konzentration auf kurzfristige Veränderungen reduzierte die Zahl auf etwa 12.000, während die Suche nach symmetrischen “Bumps”, bei denen die Lichtintensität wieder nach oben und unten geht, die Forscher mit insgesamt 66 möglichen Mikrolinsenereignissen zurückließ.

An dieser Stelle haben sie jedes Ereignis einfach manuell untersucht. Die meisten von ihnen bildeten einfach Artefakte ab, die durch helle Sterne verursacht wurden, die sich in der Nähe von Pixelgrenzen verschoben; mindestens einer davon war ein Asteroid. Als alle untersucht waren, gab es nur einen Kandidaten, der möglicherweise ein Mikrolinsenereignis sein könnte. Es war kein tolles Spiel, aber es gab keine anderen offensichtlichen Erklärungen dafür.

Diese Beobachtungen hätten die Mikrolinse erfassen müssen, die durch primordiale schwarze Löcher in der Milchstraße oder in der Andromeda verursacht wurde. Wenn es also eine signifikante Population dieser schwarzen Löcher gäbe, hätte das Teleskop mehr von ihnen aufnehmen sollen. Die Schlussfolgerung ist also, dass, wenn sich zu Beginn der Geschichte des Universums primordiale schwarze Löcher gebildet haben, sie nicht in ausreichender Anzahl gebildet wurden, um die dunkle Materie zu erklären. Dies ist vielleicht nicht das Ende der Suche nach primordialen schwarzen Löchern – die Autoren schlagen vor, dass sie die Wahrscheinlichkeit mit weiteren 10 Tagen Beobachtungszeit noch weiter einschränken können. Aber die Studie verschlankt die ohnehin schon geringen Chancen, dass sie die Quelle der Effekte der Dunklen Materie sind.

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