Eine umstrittene neue Theorie legt nahe, dass supermassive Schwarze Löcher, die im Herzen der meisten großen Galaxien lauern, die Quelle dunkler Energie sein könnten, die mysteriöse Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt.

Die vorgeschlagene Verbindung – die als „kosmologische Kopplung“ bezeichnet wird – entstand aus Beobachtungen von Schwarzen Löchern im Herzen entfernter Galaxien, die offenbar schneller gewachsen sind, als es die bloße Ansammlung von Masse oder die Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern zulassen würde.

Das Team untersucht dies weiter, einschließlich des Hauptautors Duncan Farra von dem Universität von Hawaii in Manoa, entdeckten, dass die Stärke der Kopplung bedeutet, dass das Wachstum der Schwarzen Löcher der beschleunigten Expansion des Universums entsprach.

„Es besteht keine Einigkeit darüber, welches Modell für dunkle Energie am wahrscheinlichsten richtig ist, aber das einfachste Modell für dunkle Energie ist eine ‚kosmologische Konstante'. In diesem Modell ist das gesamte Universum von einer einheitlichen und konstanten Energiedichte durchdrungen“, sagt Farrah Welt der Physik. „Das klingt nicht so mysteriös, aber die Energiedichte muss konstant bleiben, auch wenn sich das Universum ausdehnt. Es ist kein Objekt bekannt, das sich in der erforderlichen Weise verhält. Aus diesem Grund wird es von einigen als eine Eigenschaft des Vakuums selbst angesehen.“

Die meisten Modelle von Schwarzen Löchern legen nahe, dass sich in ihrem Herzen eine Singularität befindet, ein Punkt, an dem Masse in einen unendlich kleinen Punkt gequetscht wird und somit unendlich dicht wird. Die neue kosmologische Kopplung ersetzt diese Singularität durch Vakuumenergie, die als Quelle dunkler Energie vorgeschlagen wird.

Die Forscher beschreiben die Theorie in zwei Artikeln, die in veröffentlicht wurden Das astrophysikalische Tagebuch und Die astrophysikalischen Zeitschriftenbriefe, sowohl mit der Darstellung verschiedener Aspekte der kosmologischen Verbindung als auch mit der Bereitstellung der ersten „astrophysikalischen Erklärung der dunklen Energie“.

Beweise für ein astrophysikalisches Dunkle-Energie-Modell

In der ersten Veröffentlichung untersuchte das Team Schwarze Löcher in den Zentren „roter und toter“ elliptischer Galaxien, die derzeit inaktiv sind.

„Da von diesen Galaxien nicht viel erwartet wird, wird nicht erwartet, dass ihre zentralen Schwarzen Löcher mit der Zeit stark wachsen“, erklärt Farrah. „Wir fanden heraus, dass diese Schwarzen Löcher nach Berücksichtigung aller möglichen ‚normalen' Wachstumskanäle von Schwarzen Löchern immer noch eine große Massenzunahme vor etwa sieben Milliarden Jahren bis heute aufweisen – fast einen Faktor von 10 in der Masse. Das ist überraschend und nicht so einfach zu erklären.“

In ihrer zweiten Veröffentlichung versuchte das Team herauszufinden, ob dieses unerwartete Massenwachstum der Schwarzen Löcher das Ergebnis der Expansion des Universums allein durch kosmologische Kopplung sein könnte.

„Unser zweites Papier zeigt, dass diese Rate der Massenzunahme mit der Masse der Schwarzen Löcher übereinstimmt, die synchron mit dem Volumen des Universums zunimmt“, sagt Farrah. „Das heißt, wenn sich das Volumen des Universums verdoppelt, verdoppelt sich auch die Masse der Schwarzen Löcher.“

Farrah erklärt, dass, wenn das Ergebnis korrekt ist, sich die Masse eines bestimmten Schwarzen Lochs verdoppelt, wenn sich das Volumen des Universums verdoppelt, aber die Anzahl der Schwarzen Löcher pro Volumeneinheit wird sich aufgrund der Tatsache, dass Schwarze Löcher spezifische Objekte sind, immer noch halbieren .

„Wenn man diese beiden Dinge zusammenfasst, dann wird die Massendichte von Schwarzen Löchern konstant bleiben, wenn sich das Universum ausdehnt. Dies ist genau das Verhalten, das von dem „Etwas“ erwartet wird, das zu einer beschleunigten Expansion führt“, sagt Farrah. „Da kein anderes Objekt dieses Verhalten zeigt, spricht dies dafür, dass Schwarze Löcher dieses ‚Etwas' sind. Dunkle Energie muss also keine Eigenschaft des Vakuums selbst sein, und sie muss nicht einheitlich sein. Es kann sich in Schwarzen Löchern befinden und produziert werden, wenn große Sterne im Tod zusammenbrechen, etwas, das seit Mitte der sechziger Jahre vorhergesagt wurde.“

Einer der Hauptvorteile der kosmologischen Kopplungstheorie des Teams besteht darin, dass zwar einige Dunkle-Energie-Modelle Ergänzungen zu unseren Modellen des Universums erfordern, alle für dieses Modell erforderlichen Elemente jedoch bereits bekannt sind.

„Es bietet eine Quelle für dunkle Energie von etwas, von dem wir bereits wissen, dass es existiert, nämlich Schwarze Löcher. Es besteht keine Notwendigkeit für einen neuen Objekttyp oder ein neues Partikel“, sagt Farrah.

Eine umstrittene Kopplung

Die neue Theorie ist in Physikkreisen nicht ohne Kontroversen verlaufen, da viele Forscher diese kosmologische Kopplung noch nicht akzeptieren wollen.

„Ich kann beunruhigende Dinge erkennen“, sagt die Kosmologin Luz Ángela García von der Universidad ECCI Welt der Physik. „Zu sagen, dass ihre Beobachtung Beweise dafür liefert, dass Schwarze Löcher aus dunkler Energie bestehen, scheint weit hergeholt, insbesondere weil wir keine Messungen ‚innerhalb‘ des Schwarzen Lochs durchführen können.“

García ist auch beunruhigt über die Tatsache, dass die Theorie des Teams durch die Verknüpfung von dunkler Energie mit schwarzen Löchern diese Kraft mit dem Lebenszyklus von Sternen verbindet und sie als „sehr riskant“ bezeichnet. Denn wenn Wissenschaftler den Energie-Materie-Gehalt des Universums betrachten, sind Schwarze Löcher und damit dunkle Energie in diesem Modell bereits in dem 5%-Anteil „gewöhnlicher Materie“ des Energie-Materie-Gehalts des Universums berücksichtigt.

Schließlich stellt García fest, dass die Zeitachse des Universums eine Lücke von zwei Milliarden Jahren hinterlässt, die die Theorie des Teams nur schwer schließen kann.

„Der Höhepunkt der Zahl der Schwarzen Löcher und Quasare fällt mit dem Höhepunkt der Sternentstehungsgeschichte vor etwa 10 Milliarden Jahren zusammen, und danach nimmt die Zahl dieser massiven Objekte rapide ab“, erklärt sie. „Andererseits findet der Kickstart der Herrschaft der Dunklen Energie vor mehr oder weniger acht Milliarden Jahren statt.“

Eine neue Generation übernimmt die kosmologische Konstante

Wenn also schwarze Löcher die Quelle dunkler Energie sind, fragt García, warum dauert es dann zwei Milliarden Jahre, bis dunkle Energie andere Formen von Materie und Energie beherrscht?

„Obwohl wir die Idee nicht vollständig ausschließen können, scheint es mir sehr unwahrscheinlich, dass Schwarze Löcher die Quelle dunkler Energie sind“, schließt sie.

Farrah selbst stimmt zu, dass das Mysterium der dunklen Energie noch lange nicht gelöst ist, und räumt ein, dass die beiden Arbeiten zwar Beweise für eine astrophysikalische Quelle für dunkle Energie liefern, ihre Argumentation jedoch einer viel genaueren Prüfung bedarf.

„Dunkle Energie bleibt ein zutiefst mysteriöses Phänomen“, schließt Farrah. „Ich würde sagen, dass unsere Papiere die Möglichkeit von Schwarzen Löchern als Quelle dunkler Energie aufwerfen und eine ‚interessante Hypothese‘ aufstellen, aber derzeit nicht mehr als das.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-theory-links-supermassive-black-holes-and-dark-energy/