Mainzer Forschende schließen primordiale Schwarze Löcher als wesentlichen Bestandteil der Dunklen Materie aus

Hinweis zur Verwendung von Bildmaterial: Die Verwendung des Bildmaterials zur Pressemitteilung ist bei Nennung der Quelle vergütungsfrei gestattet. Das Bildmaterial darf nur in Zusammenhang mit dem Inhalt dieser Pressemitteilung verwendet werden. Falls Sie das Bild in höherer Auflösung benötigen oder Rückfragen zur Weiterverwendung haben, wenden Sie sich bitte direkt an die Pressestelle, die es veröffentlicht hat.

Der Zusammenbruch von Materieüberdichten zu primordialen Schwarzen Löchern im frühen Universum verändert das Spektrum der Fluktuationen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. | Quelle: Christopher Gerlach | Copyright: Christopher Gerlach | Download

Auch wenn Physiker:innen heute wissen, dass Dunkle Materie existieren muss, sind noch immer viele Fragen zu diesem Thema offen – beispielsweise, woraus sie besteht. Forschende der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun die Liste der möglichen Lösungen für dieses Rätsel eingegrenzt, indem sie Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung analysierten, die vom Planck-Satelliten aufgenommen wurden. In einem in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel beschreiben sie, warum ihre Ergebnisse eine Theorie für das Verhalten Dunkler Materie nach dem Urknall ausschließen.

„Eine mögliche Lösung für das Rätsel der Dunklen Materie war, dass sie sich kurz nach dem Urknall in riesigen Schwarzen Löchern mit Massen zwischen 100 Millionen und 10 Milliarden Milliarden Sonnenmassen angesammelt haben könnte“, sagt Christopher Gerlach, theoretischer Physiker an der JGU und an deren Exzellenzcluster PRISMA⁺⁺. Diese Ansammlung müsste jedoch derart deutliche Spuren im jungen Universum hinterlassen haben, dass sie bis heute in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (cosmic microwave background, CMB) sichtbar wären.

Auf der Suche nach dem Unsichtbaren

Der CMB ist das Licht, das freigesetzt wurde, als das Universum gerade einmal 380.000 Jahre alt war. Um ihn zu messen, muss man hochspezialisierte Geräte einsetzen und die Erdatmosphäre verlassen. Das Planck-Weltraumobservatorium der ESA hat genau das getan und während seiner viereinhalbjährigen Betriebszeit bis zu seiner endgültigen Abschaltung im Oktober 2013 einzigartig detaillierte Messungen des „Echos des Urknalls“ durchgeführt. „Dass wir auch 13 Jahre nach seiner Stilllegung noch immer neue Erkenntnisse über die Entwicklung und Struktur des Universums gewinnen, zeigt, wie wichtig der Planck-Satellit für Physiker war und ist“, erklärt Christopher Gerlach. Seine Messungen ermöglichen präzisere Berechnungen des Anteils an sichtbarer und Dunkler Materie im Universum. Die Analyse von primordialen Schwarzen Löchern, die kurz nach dem Urknall entstanden, hat bereits gezeigt, dass sie wahrscheinlich nicht die gesamte Dunkle Materie des Universums enthielten. Das Forschungsteam der JGU konzentrierte sich deshalb auf die Untergruppe der sogenannten „stupendously large black holes“ (SLABs), die zumindest einen wesentlichen Teil der Dunklen Materie enthalten haben könnten.

Nicholas Leister, ein weiterer Physiker der JGU im Forschungsteam führt aus: „Hätten diese SLABs in großer Zahl existiert und erhebliche Mengen an Dunkler Materie enthalten, hätten sie durch ihre einzigartigen Störungen einen charakteristischen Abdruck im CMB hinterlassen – oder, kurz gesagt, sie körnig gemacht.“ Die Physiker:innen modellierten, wie dieser Abdruck aussehen müsste, und verglichen ihn mit den tatsächlichen Messungen. Es wurde keine ausreichende Körnigkeit festgestellt, was die Möglichkeit ausschließt, dass SLABs einen wesentlichen Teil der Dunklen Materie ausmachen.

Fragen über das frühe Universum bleiben

SLABs galten bisher als mögliche Erklärung für mehrere andere Phänomene im frühen Universum. Eines davon ist der Nanohertz-Gravitationswellenhintergrund oder das „Summen“, das in Pulsar-Timing-Arrays nachgewiesen wurde; ein weiteres sind die überraschend großen frühen Galaxien, die vom James-Webb-Teleskop beobachtet wurden. „Auch diese Fragen werden wahrscheinlich nicht durch SLABs beantwortet werden können, da unsere Ergebnisse zeigen, dass es sie nicht in großer Zahl gab“, sagt Nicholas Leister. „Das frühe Universum birgt noch viele Rätsel, die darauf warten, gelöst zu werden.“

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Christopher Gerlach
Theoretical High Energy Physics (THEP)
Institut für Physik
und Exzellenzcluster PRISMA⁺⁺
Johannes Gutenberg- Universität Mainz
Staudingerweg 9
55128 Mainz
E-Mail: cgerlach@uni-mainz.de
https://thep.physics.uni-mainz.de

Originalpublikation:
C. Gerlach et al., Closing the Mass Window for Stupendously Large Black Holes, Physical Review Letters 137: 181401, 26. Oktober 2026,
DOI: 10.1103/qlf9-thf4,
https://doi.org/10.1103/qlf9-thf4