Physiker haben möglicherweise erstmals ein urzeitliches winziges schwarzes Loch nachgewiesen

Ein kosmisches Zittern, das alles in Frage stellt

Das Wissenschaftsteam hinter den Detektoren LIGO, Virgo und Kagra hat eine ungewöhnliche Erschütterung der Raumzeit registriert. Die Auswertung deutet darauf hin, dass bei einem kosmischen Zusammenstoß ein Objekt beteiligt war, das leichter als die Sonne ist – und damit viel zu klein für einen bekannten Typ schwarzer Löcher.

Dieses Ereignis erzählt die Geschichte eines Objekts, das nach dem heutigen Verständnis der Sternentwicklung schlicht nicht existieren dürfte. Immer lauter wird die Vermutung geäußert, dass es sich um die erste Spur eines sogenannten urzeitlichen schwarzen Lochs handeln könnte – entstanden in den allerersten Augenblicken des Universums.

Signal S251112cm: eine Signatur, die sich jeder Erklärung widersetzt

Wissenschaftler des LVK-Netzwerks haben bereits Dutzende von Gravitationswellen registriert. Dabei handelt es sich um Wellenbewegungen in der Raumzeit, die bei Kollisionen extrem massereicher Objekte entstehen – meist schwarze Löcher oder Neutronensterne. Für das erfahrene internationale Team ist die Erfassung solcher Ereignisse fast schon Routine. Doch das Signal S251112cm passte in kein bisheriges Schema.

Die Analyse der Gravitationswellen ergab, dass eines der beiden kollidierenden Objekte eine Masse zwischen lediglich 0,1 und 0,87 Sonnenmassen aufwies. Die Daten zeigen mit einer Wahrscheinlichkeit von über 99 Prozent, dass mindestens ein Objekt unter einer Sonnenmasse lag. Ein solches Szenario fügt sich nicht in die Standardmodelle der Sternenentwicklung ein, die Physiker zur Beschreibung des Lebenszyklus von Sternen verwenden.

Die Wissenschaftler erwogen alle naheliegenden Erklärungen. Ein Neutronenstern? Ein Weißer Zwerg? Diese Objekte sind tatsächlich oft leichter als die Sonne. Das Problem: Bei deren Kollisionen registrieren die Detektoren normalerweise begleitende elektromagnetische Strahlungsblitze. Diesmal erfassten Teleskope im Röntgen-, sichtbaren oder Gammaspektrum absolut nichts. Nur Gravitationswellen wurden registriert – ganz wie bei einer klassischen Kollision zweier schwarzer Löcher.

Wissenschaftler der LIGO-Observatorien in Hanford und Livingston sowie ihre Kollegen vom Virgo-Detektor im italienischen Pisa und von Kagra in der japanischen Präfektur Gifu führten eine detaillierte Signalanalyse durch. Alle drei Stationen bestätigten, dass es sich weder um technisches Rauschen noch um lokale Störungen handelt, sondern um ein echtes kosmisches Ereignis. Die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms liegt unter einem Prozent.

Die Daten der Interferometer zeigen den charakteristischen Chirp – die schrittweise Frequenzbeschleunigung kurz vor der Kollision. Aus der Form dieser Kurve können Physiker die Massen der Objekte, ihre Entfernung und die ungefähre Position am Himmel ableiten. Genau diese Methode offenbarte, dass eines der Objekte deutlich unterhalb der theoretischen Mindestmasse eines stellaren schwarzen Lochs liegt.

Warum ein normaler Stern kein so kleines schwarzes Loch erzeugen kann

Um den Kern dieses Paradoxons zu verstehen, muss man sich vor Augen führen, wie klassische schwarze Löcher entstehen. Ein massereicher Stern beendet sein Leben in einer spektakulären Katastrophe: Der Kern kollabiert unter seinem eigenen Gewicht, während die äußeren Schichten in einer Supernova abgestoßen werden. Die Physik dieser Kollapse legt jedoch eine Untergrenze für die Masse des entstehenden schwarzen Lochs fest.

Die Theorie der Sternentwicklung ist eindeutig: Ein normaler Stern kann kein schwarzes Loch erzeugen, das so klein ist, wie die Analyse der Gravitationswellen aus dem Signal S251112cm nahelegt. Sollte das Signal tatsächlich von einem miniaturgroßen schwarzen Loch stammen, müsste es durch einen völlig anderen Prozess entstanden sein – unabhängig vom Lebenszyklus von Sternen.

• Theoretische Untergrenze für stellare schwarze Löcher: etwa 3 Sonnenmassen
• Typischer Massenbereich stellarer schwarzer Löcher: einige bis Dutzende Sonnenmassen
• Ereignis S251112cm: Objekt mit weniger als 1 Sonnenmasse
• Masse Weißer Zwerge: üblicherweise zwischen 0,6 und 1,4 Sonnenmassen
• Masse Neutronensterne: meist zwischen 1,4 und 2,0 Sonnenmassen
• Schwarze Löcher aus Supernovae: mindestens 3 Sonnenmassen

Wissenschaftler des California Institute of Technology führten gemeinsam mit Kollegen der Universität Amsterdam Simulationen verschiedener Sternkollapsszenarien durch. Keines davon konnte ein schwarzes Loch mit so geringer Masse erzeugen, wie die LVK-Daten zeigen. Das bedeutet: Es muss ein anderer Entstehungsmechanismus gesucht werden.

Wenn die gängigen Modelle Gültigkeit haben, bleibt nur ein Weg: Das Objekt muss nicht aus einem Stern, sondern direkt aus Dichtefluktuationen im frühen Universum entstanden sein. Dieses Szenario öffnet die Tür zur faszinierenden Möglichkeit urzeitlicher schwarzer Löcher.

Urzeitliche schwarze Löcher: Stephen Hawkings exotische Idee

Hier kommen die sogenannten primordialen schwarzen Löcher ins Spiel, über die unter anderem Stephen Hawking bereits in den 1970er Jahren theoretisiert hatte. Im Gegensatz zu klassischen schwarzen Löchern entstehen sie nicht aus Sternen. Ihr Ursprung reicht zurück in Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall.

Im ultrajungen Universum herrschten extreme Bedingungen: unvorstellbare Temperaturen, Dichten und heftige Fluktuationen in der Materieverteilung. In manchen Regionen konnte sich Materie so dicht ansammeln, dass ein lokaler Gravitationshügel kollabierte – ganz ohne Beteiligung eines Sterns – und sofort ein schwarzes Loch bildete.

Das von Forschern vorgeschlagene Szenario setzt die Entstehung des Objekts in eine Phase, die mit der Quantenchromodynamik zusammenhängt – nur wenige Mikrosekunden nach dem Beginn des Universums. Das war eine Epoche, in der gewöhnliche Sterne noch gar nicht existierten, die Materie aber dramatische Phasenübergänge durchlief.

Sollte die Interpretation zutreffen, hat das LVK-Netzwerk möglicherweise erstmals ein Signal registriert, das von der Kollision eines solchen uralten schwarzen Lochs mit einem anderen Objekt stammt. Das zeigt: Gravitationswellen werden nicht nur zum Studium exotischer Sterne, sondern auch der frühesten Momente der Existenz des Universums eingesetzt. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts in Potsdam und des CERN in Genf haben bereits begonnen, detailliertere Analysen vorzubereiten.

Ein miniaturgroßes schwarzes Loch von der Größe einer Stadt

Was bedeutet eigentlich ein schwarzes Loch mit 0,87 Sonnenmassen? Die Zahl klingt nicht besonders niedrig – bis man sich seine Abmessungen vor Augen führt. Ein solches Objekt wäre extrem kompakt, mit einem Durchmesser von ungefähr 5 Kilometern.

Das ist eine Masse vergleichbar mit der Sonne, zusammengepresst in ein Gebiet von etwa der Größe einer mittelgroßen Stadt. Solch extreme Dichten erscheinen nur kurz nach dem Urknall möglich, als Materie stürmische Phasenübergänge durchlief. Zum Vergleich: Unsere Sonne hat einen Durchmesser von etwa 1,4 Millionen Kilometern.

Man stelle sich vor, die gesamte Masse der Sonne in eine Kugel kleiner als eine Großstadt zu pressen. Ein solches Objekt würde ein so starkes Gravitationsfeld erzeugen, dass nicht einmal Licht entweichen könnte. Der Schwarzschildradius eines solchen schwarzen Lochs betrüge tatsächlich nur diese fünf Kilometer, doch sein Gravitationseinfluss wäre gewaltig.

Physiker der Princeton University berechneten, dass die Dichte eines solchen Objekts Werte vergleichbar mit der Dichte eines Atomkerns erreichen würde – allerdings auf ein größeres Volumen verteilt. Solche Bedingungen findet man im heutigen Universum schlicht nicht, es sei denn, man blickt ins Innere eines Neutronensterns oder eben in ein schwarzes Loch.

Dunkle Materie: Ist die rätselhafte Masse ein Schwarm von Minilöchern?

Sollte sich die Interpretation des Signals S251112cm als Spur eines primordialen schwarzen Lochs bestätigen, gehen die Konsequenzen weit über die bloße Klassifizierung eines exotischen Objekts hinaus. Die Frage nach der Natur der Dunklen Materie rückt in den Mittelpunkt.

Astronomen wissen seit Jahrzehnten, dass sichtbare Materie – Sterne, Gas, Staub – nur einen kleinen Teil des kosmischen Puzzles ausmacht. Das Verhalten von Galaxien, Galaxienhaufen und großräumigen kosmischen Strukturen wird von einer zusätzlichen Masse beeinflusst, die in keinem Wellenlängenbereich sichtbar ist. Man nennt sie Dunkle Materie.

Jahrzehntelang wurde nach hypothetischen neuen Teilchen gesucht – von den berühmten WIMPs über exotische leichte Bosonen bis hin zu Axionen. Doch aufeinanderfolgende Experimente in unterirdischen Teilchendetektoren in Laboratorien wie Gran Sasso in Italien oder Soudan in Minnesota endeten mit Schweigen. In diesem Kontext gewinnen miniaturgroße schwarze Löcher als Alternative zunehmend an Gewicht.

Die Analyse deutet darauf hin, dass primordiale schwarze Löcher bei entsprechender Anzahl und Massenverteilung einen erheblichen Teil – möglicherweise die gesamte – Dunkle Materie erklären könnten, ohne neue Elementarteilchen einführen zu müssen. In diesem Szenario wäre das Universum voll winziger schwarzer Löcher, die unauffällig in den Halos von Galaxien und im intergalaktischen Raum verteilt sind.

Forscher der University of California in Berkeley und des Kavli Institute for Cosmological Physics in Chicago erstellten Computermodelle zur Verteilung primordialer schwarzer Löcher. Die Simulationen zeigen, dass diese Objekte bei der richtigen Dichte und Massenverteilung die Gravitationseffekte, die der Dunklen Materie zugeschrieben werden, perfekt nachbilden könnten. Das würde unser Verständnis der Struktur des Universums grundlegend verändern.

Wissenschaftler dämpfen die Begeisterung: bisher nur ein starker Kandidat

Trotz der großen Aufregung in der Gemeinschaft bewahren die Forscher Abstand. Die auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlichte und beim renommierten Astrophysical Journal Letters eingereichte Analyse durchläuft noch das Begutachtungsverfahren. Die Wissenschaftler sprechen ausdrücklich von einem „Kandidaten“ für ein primordiales schwarzes Loch.

Es muss noch geprüft werden, ob das Signal nicht anders erklärt werden kann – etwa als Effekt komplexer Wechselwirkungen in außergewöhnlich dichten Sternhaufen. In solchen Umgebungen können umlaufende Objekte Mehrfachsysteme bilden, in denen es zu Serien von Kollisionen und Einfangereignissen kommt, die komplizierte Gravitationswellen erzeugen.

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und der European Southern Observatory in Garching sehen bisher alles darauf hindeuten, dass die Interpretation als primordiales schwarzes Loch die einfachste und am besten mit den Daten übereinstimmende ist. Physiker benötigen jedoch noch ein entscheidendes Element: Wiederholung.

Sollten die LVK-Detektoren während der laufenden Beobachtungskampagne ein zweites ähnliches Signal mit einem Objekt unter einer Sonnenmasse registrieren, erhält die Hypothese urzeitlicher schwarzer Löcher ein völlig anderes Gewicht. Aus einer theoretischen Kuriosität würde eine neue Kategorie realer kosmischer Objekte – mit weitreichenden Folgen für die gesamte Kosmologie.

Wie die Detektoren LIGO, Virgo und Kagra der Raumzeit „zuhören“

Gravitationswellen sind mikroskopische Schwingungen in der Struktur der Raumzeit selbst. Um sie aufzuzeichnen, bauten Wissenschaftler gigantische Interferometer – Geräte, die minimale Abstandsänderungen zwischen Spiegeln messen, die in mehrere Kilometer langen Tunneln angebracht sind.

LIGO in den USA, Virgo in Italien und Kagra in Japan bilden heute ein globales Netzwerk von „Ohren“, das fernen kosmischen Katastrophen lauscht. Wenn eine Gravitationswelle die Erde durchquert, verkürzt sie einen Arm des Interferometers leicht und verlängert den anderen. Die Veränderung ist kleiner als der Durchmesser eines Protons – doch die empfindliche Apparatur kann sie erfassen.

• LIGO Hanford im US-Bundesstaat Washington: Arme mit 4 Kilometern Länge
• LIGO Livingston in Louisiana: identische Konfiguration wie Hanford
• Virgo bei Pisa in Italien: Arme mit 3 Kilometern Länge, erhöht die Genauigkeit der Quelllokalisierung
• Kagra in der Präfektur Gifu in Japan: unterirdischer Detektor, auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt
• Lasersysteme: Leistung bis zu 200 Watt für maximale Empfindlichkeit
• Spiegel: bis zu 40 Kilogramm schwer, aus Quarzglas mit ultrareiner Oberfläche
• Vakuumtunnel: Druck niedriger als an der Mondoberfläche zur Störungsbeseitigung
• Seismische Isolierung: mehrlagige Aufhängungssysteme dämpfen Vibrationen um bis zu sechs Größenordnungen

Dank der Zusammenarbeit dieser drei Instrumente können Wissenschaftler nicht nur die Form der Wellen messen, sondern auch die Parameter der auslösenden Objekte rekonstruieren: Masse, Entfernung und sogar Rotation. Genau diese Methode ermöglichte es festzustellen, dass beim Ereignis S251112cm ein Objekt unter einer Sonnenmasse beteiligt war.

Wenn enorme Massen wie schwarze Löcher umeinander kreisen und kollidieren, „verwirken“ sie die Raumzeit so intensiv, dass der Effekt dieser kosmischen Eruption Milliarden von Lichtjahren weit reicht. LIGO und die anderen Detektoren erfassen kein Bild des Objekts – nur die präzise Aufzeichnung, wie sich die Länge der Interferometerarme verändert. Aus dieser Kurve passt ein Computer das beste Kollisionsmodell an und extrahiert Informationen über Massen und Typen der beteiligten Objekte.

Was kommt als Nächstes: Die Jagd nach weiteren Minilöchern und die Folgen für die Physik

Sollte die Interpretation als primordiales schwarzes Loch der Kritik standhalten, ist in den kommenden Jahren eine Offensive neuer Studien zu erwarten. Astronomen werden die Datenarchive früherer LVK-Beobachtungskampagnen durchsuchen, um weitere, übersehene Signale mit Objekten unter einer Sonnenmasse zu finden.

Parallel dazu werden Theoretiker beginnen, Modelle zur Entstehung urzeitlicher schwarzer Löcher an die neuen Erkenntnisse anzupassen. Wie häufig konnten sie entstehen? Welche typische Masse nehmen sie an? Kann ihre Population die Dunkle Materie wirklich erklären? Das bedeutet eine Überarbeitung der Szenarien zur Evolution des jungen Universums, einschließlich der Phasen, die mit sehr frühen Materieumwandlungen zusammenhängen.

Für Laien klingt das Thema abstrakt, hat aber überraschend konkrete Konsequenzen. Sollte sich Dunkle Materie als bloße Wolke miniaturgroßer schwarzer Löcher herausstellen, würde das die Planung künftiger Weltraummissionen verändern. Es würde die Prognosen für Signale in Neutrinodetektoren wie IceCube am Südpol oder im KM3NeT-Projekt im Mittelmeer beeinflussen.

Ein Teil der geplanten kostspieligen Installationen könnte an Relevanz verlieren, und an ihrer Stelle würden neue Ideen entstehen, die stärker auf die Gravitationswellenastronomie ausgerichtet sind. Die Europäische Weltraumorganisation ESA bereitet bereits die Mission LISA vor – ein Weltrauminterferometer, der empfindlicher sein soll als die erdgebundenen Detektoren.

Dunkle Materie „saugt“ keine Energie aus Sternen und stellt keine direkte Bedrohung für die Erde dar. Ihre Wirkung beschränkt sich praktisch ausschließlich auf die Gravitation. Sollte sie aus miniaturgroßen schwarzen Löchern bestehen, bleibt ihre Dichte in unserer unmittelbaren Umgebung so gering, dass die Chance auf eine nahe Begegnung mit einem von ihnen in der gesamten Menschheitsgeschichte vernachlässigbar ist.

Jedes weitere registrierte Signal mit so kleinen schwarzen Löchern bietet die Möglichkeit, die Gravitationstheorie unter extremen Bedingungen zu testen. Das kann zeigen, wo neue Physik jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie und des Standardmodells der Teilchenphysik zu suchen ist. In der Praxis entstehen aus solch scheinbar hermetischen Forschungsarbeiten oft Technologien, die Jahre später in den Alltag einfließen – von der Satellitennavigation GPS bis hin zu fortschrittlichen medizinischen Bildgebungsverfahren per Magnetresonanztomographie. Alle haben ihre Wurzeln in der Grundlagenforschung, die ursprünglich wie pure Theorie ohne praktischen Nutzen aussah.