Ok. “Schwarze Löcher vom Anfang der Zeit” klingt ein wenig dramatisch. Aber deutlich besser als “primordiale schwarze Löcher”. Und primordiale schwarze Löcher sind genau genommen auch nichts anderes als schwarze Löcher vom Anfang der Zeit. Es sind keine schwarzen Löcher, die aus dem Kollaps großer Sterne resultieren. Sondern eben schwarze Löcher, die unmittelbar nach dem Urknall entstanden sind; bevor sich noch irgendwas anderes bilden konnte. Unmittelbar nach der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren war der Kosmos noch klein und voll mit Materie. Keine Sterne, keine Galaxien, kein sonstwas; es gab nur Elementarteilchen und Energie. Und es gab Quantenfluktuationen, die dafür gesorgt haben, dass diese Materie nicht völlig gleichmäßig verteilt war. In manchen Regionen des Universums war dadurch zufällig so viel mehr Materie enthalten, dass die kritische Dichte zur Bildung eines schwarzen Lochs überschritten war. Im frühen Universum entstanden dadurch jede Menge “primordiale schwarze Löcher” die so auch deutlich kleinere Massen haben können, als die schwarzen Löcher, die wir bis jetzt beobachtet haben.

Das zumindest ist die Theorie. Wir wissen nicht, ob das wirklich so passiert ist, denn bis jetzt haben wir die Existenz primordialer schwarzer Löcher nicht zweifelsfrei nachgewiesen. Wir haben noch keine “kleinen” Löcher entdeckt. Aber immerhin indirekte Hinweise, dass es sie geben könnte. Und so lange wir noch auf der Suche sind, kann es nicht schaden, zu wissen, wonach man suchen sollte. Es gibt diverse Methoden, mit denen man die zu erwartenden Eigenschaften primordialer schwarzer Löcher einschränken kann. Direkt sehen kann man sie natürlich nicht. Aber sie üben ebenso natürlich eine Gravitationskraft aus. Auf diese Weise können sie als Gravitationslinsen wirken; sie können also durch die von ihnen verursachte Raumkrümmung das Licht von Sternen oder Galaxien verstärken beziehungsweise verändern. Auf diese Weise wurden schon schwarze Löcher “beobachtet” (aber auch diverse andere Entdeckungen gemacht) und mit dieser Methoden kann man zumindest einschränken, wie viele primoridiale schwarze Löcher es gibt. Denn man kann ja abschätzen, wie viele Gravitationslinsenereignisse man bei einer bestimmten Beobachtungskampagne sehen sollte, wenn die Häufigkeit primordialer schwarzer Löcher einen gewissen Wert hat. Und je nachdem was man dann tatsächlich beobachtet, lässt sich dieser Wert dann entsprechend korrigieren.

Neptun: Ein großer Detektor für schwarze Löcher (Bild: NASA/JPL)

Es gibt aber auch andere Wege! Die Astronomie war schon immer recht gut darin, aus der Beobachtung dessen, was sichtbar ist, auf das zu schließen, was man nicht sehen kann. Die beste Geschichte darüber ist die Entdeckung des Planeten Neptun. Im 19. Jahrhundert war dieser Himmelskörper unbekannt. Aber man konnte den Uranus sehen. Und sah, dass seine Bewegung nicht so ablief, wie sie es sollte. Etwas musste die Bewegung des Uranus beeinflussen und aus den beobachtbaren Störungen hat man die Eigenschaften des unsichtbaren Störers geschloßen. Der dann dank dieser Vorhersagen auch tatsächlich entdeckt werden konnte: Neptun.

Genau diesen äußersten Planeten des Sonnensystems haben nun Amir Siraj und Abraham Loeb benutzt, um die Häufigkeit primordialer schwarzer Löcher abzuschätzen (“Constraining Primordial Black Holes Based on The Dynamics of Neptune”). Neptun hat eine sehr geringe Exzentrizität; bewegt sich also auf einer fast exakten Kreisbahn um die Sonne. Die Exzentrizität ist aber auch ein sehr guter Anzeiger für gravitative Störungen: Würde da etwas den Neptun regelmäßig zu nahe kommen, dann würde man das an seiner zunehmenden Exzentrizität merken. Siraj und Loeb haben also einfach berechnet, wie viele primordiale schwarze Löcher es höchstens geben darf, so dass Neptun im Laufe der vergangenen 4,5 Milliarden Jahren (also seit das Sonnensystem entstanden ist) nicht zu sehr gestört worden ist. Das Resultat sieht so aus:

Auf der x-Achse ist die Masse der potenziellen schwarzen Löcher aufgetragen. Auf der y-Achse der Anteil, den primoridale schwarze Löcher an der dunklen Materie haben können. Darüber habe ich bis jetzt noch nicht gesprochen: Denn primordiale schwarze Löcher könnten ja prinzipiell auch Teil der Dunklen Materie sein. Also der gravitativ wirksamen Masse deren Auswirkungen wir überall beobachten können, für die wir aber keine beobachtbare Entsprechung finden. Masse, die da ist, aber nicht direkt sichtbar: Eine Definition, die auf primordiale schwarze Löcher durchaus zutrifft. Wir wissen, dass nicht die komplette dunkle Materie daraus bestehen kann. Aber ein Teil vielleicht schon (sofern sie überhaupt existieren). Welchen Teil sie ausmachen können, gibt die y-Achse an. Die blau markierten Bereiche im Diagramm wurden schon von anderen Beobachtungskampagnen (über den Gravitationslinseneffekt) ausgeschlossen; der rote Bereich zeigt die Einschränkungen aus der Bewegung des Neptun an.

Dank Neptun wissen wir nun also ein wenig besser als vorher, welche Eigenschaften die primordialen schwarzen Löcher haben könnten. Ob sie existieren, wissen wir dadurch aber natürlich immer noch nicht. Das wird sich erst ändern, wenn wir irgendwann einmal so ein Objekt konkret nachweisen.

Kommentare (40)

  1. #1 Elbinger
    19. April 2021

    Ich versteh da Einiges nicht; “unmittelbar nach dem Urknall” konnten sich quantenfluktuationsbedingt Dichtebereiche für diese primordialen Schwarzes Loch bilden.
    Und was lag -NOCH – ein wenig unmittelbarer am Urknall für eine Dichte vor ? Da müsste doch eigentlich alles “schwarz” gewesen sein

  2. #2 Holger
    19. April 2021

    @elbinger

    gute Überlegung. und ich selbst habe da auch Interpretationsaussetzer.

    die gesamte Masse (normal-Materie plus dunkle) war ja zu beginn in einem Punkt. so gesehen ein schwarzes Loch.

    das ist geplatzt und hat damit Raum und Zeit und alles drumrum hergestellt.
    irgendwann war das Ding (Universum) aber so gross, dass es grösser als der Radius eines solchen loches mit der gesamten masse war.
    Wenn nun bekannt ist wie schwer alles ist kann das auch mehr oder weniger exakt berechnet werden.

    Und erst nach diesem Punkt wird die Aussage oben erst sinnvoll.

  3. #3 Til
    19. April 2021

    @ #1 #2
    Das “platzen” der singularität am Anfang des Universums war die kosmologische Inflation. Ich denke man kann sich das mit den primordialen schwarzen Löchern so vorstellen, dass das Regionen waren, die aufgrund von Quantenfluktuationen auch nach der Hyperinflation noch so dicht waren, dass sie Singularitäten geblieben sind.

  4. #4 PDP10
    20. April 2021

    […]der rote Bereich zeigt die Einschränkungen aus der Bewegung des Neptun an.

    Dank Neptun wissen wir nun also ein wenig besser als vorher, welche Eigenschaften die primordialen schwarzen Löcher haben könnten.

    Welche Einschränkungen? Welche Eigenschaften?

    Irgendwie hört der Artikel auf bevor er aufhört …

    (Oder ich bin zu blöd das zu verstehen …)

  5. #5 Adam
    Berlin
    20. April 2021

    @Florian:

    Wir wissen, dass nicht die komplette dunkle Materie daraus bestehen kann. Aber ein Teil vielleicht schon (sofern sie überhaupt existieren). Welchen Teil sie ausmachen können, gibt die y-Achse an.

    Kann man das mit den bisherigen Theorien über DM nicht kombinieren, um sozusagen per Indiz ein Ausschlusskriterium für mögliche Kandidaten der “echten” DM (also abzgl. primordialer SL) zu haben?

    Es müsste dann ja weniger Masse nötig sein, also könnten vlt. doch Kandidaten wie z.B. Axionen in Frage kommen, so es sie gibt. Klar, ein Beweis wäre es nicht, aber eine Möglichkeit der Eingrenzung, unter der Voraussetzung natürlich, dass man von der Existenz der primordialen SL ausgeht.

    Andererseits: müsste es diese (also pm SL) dann nicht heute auch noch geben, wenn diese Teil der DM sind, um das Verhalten von Galaxien zu erklären? Hätten sich dann also nur ein paar von ihnen als Saatkorn für Galaxiezentren und zu supermassiven entwickelt? Warum nur ein paar, wieder eine Folge der Fluktuation? Wie ist denn da der Stand der Überlegungen?

  6. #6 Florian Freistetter
    20. April 2021

    @PDP10: Es geht eigentlich nur um eine Häufigkeitsabschätzung anhand der Masse. Das Diagramm zeigt dir, wie häufig PSL sein können, in Abhängigkeit ihrer Masse. Die von den Flächen überdeckten Kombinationen sind ausgeschlossen aufgrund der Beobachtungen.

  7. #7 yeus
    20. April 2021

    @elbinger & @holger:

    Ausschlaggebend dafür, ob ein schwarzes Loch entsteht ist die durch die Masse verursachte Krümmung des Raumes (= Gravitation). Am Anfang war das Universum jedoch so homogen, daß so eine Krümmung praktisch ausgeschlossen war.

    Anschaulich gesprochen, war die Teilchen Suppe am Anfang so gleichmäßig, daß die Gravitation jedes einzelnen Teilchens durch die Gravitation aller anderen benachbarten Teilchen wieder ausgeglichen wurde ;).

    Erst allmählich haben sich die Dichtefluktuation so aufgebaut, daß es zu den besagten schwarzen Löchern kommen könnte.

    Nocheinmal anders ausgedrückt: eine hohe Dichte erzeugt nicht automatisch eine hohe Gravitation. Sondern der Gradient der Dichte ist entscheidend.

  8. #8 Elbinger
    Neu Darchau
    20. April 2021

    @yeus
    Da kann ich auch nicht folgen; ich vermute mehr, dass ‘Anfangs’ – da die Kräfte vereinheitlicht waren noch keine Massen existierten. Das für die Masse der Elementarteile verantwortliche Higgsfeld soll ja erst zur Inflationsphase ‘auskristallisiert’ sein.

  9. #9 Karl-Heinz
    Graz
    20. April 2021

    @yeus

    Ganz korrekt ist deine Überlegung nicht. Ich werde es dir durch ein Gedankenexperiment beweisen. Also alles ist homogen. Jetzt definieren wir eine Kugel, auf die wir Testteilchen streuen. Die Testteilchen spüren die Masse innerhalb der Kugel. Alles was außerhalb ist spüren sie nicht. Diese Überlegung muss also für jede Kugel, die wir jemals definieren können, gelten. Und das Fantastische ist, dass es gibt keinen Widerspruch gibt, wenn wir annehme, dass der Raum in diesem Fall zusammen stürzt. Wenn es also nichts gibt, was den Raum in diesem Augenblick auseinandertreibt, würde ein SL entstehen.

    Ich hoffe man kann diese Überlegungen so einigermaßen folgen.

  10. #10 Björn
    20. April 2021

    @Elbinger #8: Nein, deine Erklärung klappt nicht. Denn Gravitation wirkt nicht nur auf Masse, sondern auch auf Energie. Und die Energie der Teilchen war schon vorher da, die ist ja nicht erst entstanden, als das Higgs-Feld einen nicht-verschwindenden Vakuumerwartungswert bekam.

    Die Erklärung von yeus ist völlig richtig. Wo kannst du da nicht folgen?

  11. #11 Björn
    20. April 2021

    @Karl-Heinz #9: Deine Erklärung scheitert an dem “Alles was außerhalb ist spüren sie nicht.” Das stimmt halt nur für endliche Massenverteilungen in einem ungekrümmten Raum. Der Raum im Universum ist aber eben gekrümmt und/oder unendlich groß.

  12. #12 Karl-Heinz
    Graz
    20. April 2021

    @Björn

    Du bist völlig phantasielos. Es muß nicht immer alles statisch sein.

  13. #13 Elbinger
    Neu Darchau
    20. April 2021

    @Björn #10
    Wegen der Masse-Energie Äquivalenz gem ART ; aber wie geschrieben: Wer weiß was zur Zeit der vereinheitlichten Kräfte es regelte

  14. #14 Elbinger
    Neu Darchau
    20. April 2021

    (stellt euch nicht immer so nett ins falsche Licht; sucht besser – mehr . Licht)

  15. #15 Bernd Nowotnick
    22. April 2021

    Was ist wenn die gekrümmte Raumzeit im Kristall von kristallinem Wasserstoff der Temperatur 0°F mit Neutronen und Neutrinos als Bild der Gravitation erscheint? Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik verschwindet die Entropie, also ist Null, wenn keine Entartung auftritt, somit bei perfekter kristalliner Substanz. Entropie ist ein Maß für die Information die ein Mikrozustand über den Makrozustand besitzt, also ein Raum mit sehr vielen Dimensionen. Bei einem Spinsystem ist es dann Wasserstoff mit zwei Elektronen und zwei Positronen, sowie Spin antiparallel magnetischem Moment mit magnetischer Kern- bzw. Zentrums- oder Nullresonanz an jeder Position für jeden Spin zwei Energiezustände und doppelt so viele Dimensionen wie Zustände, ein Zentrum, plus und minus mit Länge, Breite und Höhe in der Zeit. Wasserstoff ohne Änderung und am absoluten Nullpunkt stellt dies in der Raumzeit dar. In einem geschlossenen System nimmt die Entropie niemals ab. Ein Informationsfeld hat mit dem Synchronisieren, also der Entropie als Wendung am Maß für Unordnung zu tun. Aus der Energieerhaltung und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik lässt sich ableiten dass Wärme nur dann von einem kalten auf einen warmen Körper übergehen kann wenn Arbeit aufgewendet wird. Ein Informationsfeld muss also Arbeit aufwenden um die Entropie zu verringern. Deshalb wird auch bei der Informationshydrodynamik Energie von einem Beobachter auf den anderen übertagen. Diese Energie entsteht bei der Wandlung der Kombinationen der Up, Charm, Top, Down, Strange, Bottom und den elektromagnetischen Wechselwirkungen, somit vereinfacht gesagt die Bilder in der Raumzeit auf einem Hintergrund von kristallinem Wasserstoff der Temperatur 0°F.

  16. #16 Till
    22. April 2021

    @Bernd: Versuche doch mal, Dich etwas mehr in die Materie einzulesen, bevor Du neue Hypothesen aufstellst. Andernfalls wird Dich niemand der Ahnung hat ernst nehmen.

  17. #17 hwied
    22. April 2021

    Herr Nowotnick,
    Respekt, Sie machen sich viele Gedanken um Raum, Zeit und Masse. Ich empfele ihnen das Buch von Martin Bäker, „Die Entdeckung der Raumzeit“. Darin geht es um Gravitation und wie sie entsteht. Lesenswert!

  18. #18 Karl-Heinz
    Graz
    22. April 2021

    @Bernd Nowotnick #15

    kristallinem Wasserstoff der Temperatur 0°F.

    Also 0 Grad Fahrenheit ist -17,78 °C.
    Ist mit dir alles in Ordnung? Mache mir schon Sorgen.

  19. #19 Bernd Nowotnick
    23. April 2021

    Ok, ein Fehler. Mir geht es in erster Linie nicht so sehr um die Spin- oder besser gesagt Tauschsysteme der Gravitation oder Elektrotechnik. Das Tauschsystem oder die Matrix und die dabei wichtigen Berechnungsformeln und -werte der Elektrotechnik sind den gut ausgebildeten Fachleuten bestens bekannt. Es wird ständig an der Sicherheit der Energie- und Informationsübertragung geforscht aber am Tauschsystem der Selbstorganisation sind wir immer noch dabei auszutesten bei welchen Werten der Zelltod oder das Organversagen Eintritt, obwohl wir sie intern und extern schützen könnten.

  20. #20 Captain E.
    23. April 2021

    @Karl-Heinz

    Also 0 Grad Fahrenheit ist -17,78 °C.
    Ist mit dir alles in Ordnung? Mache mir schon Sorgen.

    Ja, ich hatte mich auch schon gefragt, warum gerade bei 255,37 K irgendetwas spannendes passieren soll.

    Daniel Gabriel Fahrenheit hatte als Nullpunkt seiner Skala die tiefste Temperatur festgelegt, die er mit einer Mischung aus Eis, Wasser und Salmiak oder Seesalz erzeugen konnte. Dadurch wollte er in seiner Skala negative Werte vermeiden.

  21. #21 Bernd Nowotnick
    23. April 2021

    Ich bitte um Entschuldigung die negativen Werte verschwinden erst bei 0°K also -273,15°C, ergeben bei Kernresonanz aber bei Nullsetzung oberhalb dieser Temperatur ein Innen und ein Außen.

  22. #22 Captain E.
    23. April 2021

    @Bernd Nowotnick:

    Nicht, dass ich in deinen Ausführungen irgendeinen Sinn erkennen könnte, aber bei Null Kelvin wird es tatsächlich spannend. Und nein, bitte kein Gradsymbol (°) zwischen dem Temperaturwert und dem “K”. Kelvin wurde grundsätzlich ohne Grad definiert.

    Also: 0° C oder 0° F ist korrekt, aber es heißt ganz einfach 0 K.

  23. #23 Jolly
    23. April 2021

    @Captain E.

    Kelvin wurde grundsätzlich ohne Grad definiert.

    Interessant, das war mir neu.

    Aber:

    Das Gradzeichen ist untrennbarer Bestandteil (und ohne Leerzeichen zum Buchstaben aber immer mit (schmalem) Leerzeichen zum Zahlenwert) der Symbole von Temperatureinheiten
    (Wikipedia)

  24. #24 Karl-Heinz
    23. April 2021

    @Björn #11
    Die Grundlagen der KosmologieVon Tobias Kühnel und Matthias Bartelmann

    https://www.spektrum.de/artikel/833983&_wis=1

  25. #25 Captain E.
    23. April 2021

    @Jolly:

    Interessant, das war mir neu.

    Aber:

    Das Gradzeichen ist untrennbarer Bestandteil (und ohne Leerzeichen zum Buchstaben aber immer mit (schmalem) Leerzeichen zum Zahlenwert) der Symbole von Temperatureinheiten
    (Wikipedia)

    Genau das steht dort, aber du hast einen Halbsatz unterschlagen:

    …, nicht aber bei der Einheit Kelvin (K).

  26. #26 Karl-Heinz
    Graz
    23. April 2021

    @Bernd Nowotnic

    Ich finde es komisch, dass Du mit dem Begriff “Temperatur in Kelvin” so deine Schwierigkeiten hast. Ich dachte, so was gehört zum Standardrepertoire eines Elektrotechnikers, auch wenn man die Temperatur in Kelvin, so vermute ich, in der Praxis wohl kaum benötigt.

  27. #27 Bernd Nowotnick
    23. April 2021

    Triggern? – Alle Aufmerksamkeit der Eiskönigin: Wenn die Bilder in der Raumzeit auf einem Hintergrund von kristallinem Wasserstoff der Temperatur 0 K basieren muss für eine weitere Erhöhung der Organisation die Temperatur weiter abgesenkt werden, also in der Hyperfeinstruktur die Frequenz weiter erhöht. Wenn innen, also in Richtung Zentrum, die Temperatur negativ wird, ist dieser Beobachter heißer als jeder andere Beobachter mit beliebiger positiver Temperatur und kann dadurch ebenfalls Arbeit abgeben.

  28. #28 Jolly
    23. April 2021

    @Captain E.

    Das sollte nur eine Ergänzung sein. Ich hab das nur zitiert, weil in deinem Kommentar das Grad-Zeichen hinten an der Zahl klebt, nicht vorne am Buchstaben, wie es wohl richtig wäre. Auch das war mir bisher nicht bewusst. Aber klar, das gehört da nur bei Celsius und Fahrenheit hin.

  29. #29 Karl-Heinz
    Graz
    23. April 2021

    @Bernd Nowotnick

    Du bist nicht gerade höflich und taktvoll. Man fragt was und bekommt als Antwort irgend einen Unsinn. 🙁

  30. #30 Karl-Heinz
    Graz
    24. April 2021

    Eine Temperatur jenseits des absoluten Nullpunkts

    https://www.mpg.de/6769805/negative_absolute_temperatur

  31. #31 Karl-Heinz
    Graz
    24. April 2021
  32. #32 Karl-Heinz
    Graz
    24. April 2021
  33. #33 rolak
    24. April 2021

    Abstoßend

    Von 2006 – erstaunlich, daß bis jetzt dieses völlig unsinnige Satzmittelstück anfangs des zehnten Absatzes immer noch unkorrigiert ist: “Offenbar (..), denn die gebundenen Teilchen es auf einmal nicht mehr so eilig hatten” sollte sicherlich “, denn die .. hatten es..” bzw “, da..” lauten und ist irgendwas in Richtung NachbesserungsSchaden…

  34. #34 Karl-Heinz
    Graz
    24. April 2021

    @rolak

    Na ja, zumindest konnte ich auf Anhieb verstehen, was damit gemeint ist.

    Siehe es mal so: Bei Bernd Nowotnick ist sprichwörtlich alles ein Bahnhof.

  35. #35 hwied
    24. April 2021

    Karl-Heinz 30
    bei dem Link wird von unendlicherTemperatur gesprochen. Wie soll das gehen, wenn die Temperatur als Geschwindigkeit der Teilchen definiert ist und die Geschwindigkeit der Teilchen c nicht erreichen kann ?

  36. #36 Karl-Heinz
    Graz
    24. April 2021

    @hwied

    Der Zustand negativer Temperatur ist allerdings instabil. Die Energie aus einem solchen System würde bei Kontakt mit einem Körper beliebiger positiver Temperatur an diesen abfließen. Insofern muss man also sagen, dass ein Körper mit negativer Temperatur heißer ist als jeder Körper mit positiver Temperatur.

  37. #37 Jens
    24. April 2021

    @hwied:

    …wenn die Temperatur als Geschwindigkeit der Teilchen definiert ist…

    Das ist sie halt nicht. Wenn du von falschen Voraussetzungen ausgehst, ist es nicht verwunderlich dass nicht das richtige herauskommt.

  38. #38 Elbinger
    Neu Darchau
    25. April 2021

    ein trollchat. vielen dank für die aufklärung

  39. #39 Karl-Heinz
    Graz
    25. April 2021

    @hwied

    bei dem Link wird von unendlicherTemperatur gesprochen. Wie soll das gehen, wenn die Temperatur als Geschwindigkeit der Teilchen definiert ist und die Geschwindigkeit der Teilchen c nicht erreichen kann ?

    Die Inversion ist natürlich nur dann möglich, wenn es für ein System eine obere Grenze für die Energie gibt.

    Schau dir “Unmöglich: Negative Kelvin-Temperatur wurde erzeugt! – Clixoom Science & Fiction” auf YouTube an

  40. #40 Captain E.
    26. April 2021

    @Jolly:

    Das sollte nur eine Ergänzung sein. Ich hab das nur zitiert, weil in deinem Kommentar das Grad-Zeichen hinten an der Zahl klebt, nicht vorne am Buchstaben, wie es wohl richtig wäre. Auch das war mir bisher nicht bewusst. Aber klar, das gehört da nur bei Celsius und Fahrenheit hin.

    Gut, dann erlaube mir noch eine weitere Ergänzung: Das Gradzeichen gehört nicht nur zu Celsius und Fahrenheit, sondern es heißt auch Grad Delisle (°De), Grad Réaumur (°Ré), Grad Rømer (°Rø), Grad Newton (°N) und Grad Rankine (°Ra). Aber kennt diese Skalen heutzutage noch oder verwendet sie gar?

    Tatsächlich ist es aber sogar so, dass 1954 das Kelvin definiert und zur Basiseinheit erklärt wurde, und zwar mit einem Gradzeichen. Das wurde dann 1967 auf die heutige Schreibweise abgeändert.