Mainzer Physiker haben die Theorie widerlegt, dass primordiale Schwarze Löcher einen wesentlichen Teil der Dunklen Materie bilden könnten.
Die Analyse von Messdaten des Planck-Satelliten zeigt, dass diese hypothetischen Objekte keine signifikante Rolle bei der Zusammensetzung des Universums spielen.
Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung
Ein Forschungsteam der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) untersuchte die Existenz sogenannter „stupendously large black holes“ (SLABs), deren Massen zwischen 100 Millionen und 10 Milliarden Sonnenmassen liegen. Die Wissenschaftler nutzten dafür Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die vom Planck-Weltraumobservatorium der ESA bis zu dessen Abschaltung im Oktober 2013 aufgezeichnet wurden.”
Das Planck-Observatorium führte vor seiner endgültigen Stilllegung eine viereinhalbjährige Betriebszeit durch, in der es einzigartig detaillierte Messungen des „Echos des Urknalls“ vornahm.
„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,“ erklärte Christopher Gerlach, theoretischer Physiker an der JGU und am Exzellenzcluster PRISMA⁺⁺. Seine Analysen ermöglichen präzisere Berechnungen des Anteils an sichtbarer und Dunkler Materie im Universum.
„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 Sonnenmassen angesammelt haben könnte,“ erläutert Gerlach. Während bereits bekannt ist, dass Dunkle Materie existieren muss, bleibt ihre genaue Zusammensetzung eine offene Frage.
Keine Spuren im frühen Universum
Die Forscher konzentrierten sich auf die Untergruppe der SLABs, da Analysen bereits gezeigt hatten, dass primordiale Schwarze Löcher wahrscheinlich nicht die gesamte Dunkle Materie des Universums enthielten. Diese hypothetischen Giganten müssten nicht aus dem Kollaps von Sternen hervorgegangen sein, sondern könnten laut einigen Modellen bereits in der frühen kosmischen Entwicklung entstanden sein.
Das Team modellierte die Auswirkungen einer solchen Population auf das Universum, als dieses gerade einmal 380.000 Jahre alt war – der Zeitpunkt, an dem das Licht der Hintergrundstrahlung freigesetzt wurde.
Die Untersuchung basierte auf der statistischen Eigenschaft, dass selbst bei einer zufälligen Verteilung die Schwarzen Löcher nicht überall gleich häufig auftreten würden. Dies führt zu sogenannten Isokurvaturstörungen, also räumlichen Unterschieden im Verhältnis von Materie zu Strahlung, die sich auf die Hintergrundstrahlung auswirken.
Nicholas Leister, ein weiterer Physiker der JGU im Forschungsteam, führt dazu 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 verglichen ihre Modellvorhersagen über die Stärke dieser Störungen bei verschiedenen Massen und Häufigkeiten mit den tatsächlichen Messgrenzen des Planck-Satelliten sowie mit Daten zur großräumigen Materieverteilung.
Dabei wurden auch die Entwicklungen der anfänglichen Schwankungen bis zur Freisetzung der Hintergrundstrahlung berücksichtigt.
Da die Auswertung keine ausreichende Körnigkeit aufzeigte, schließen die Physiker aus, dass SLABs als wesentliche kosmische Materiekomponente in diesem Szenario infrage kommen. Die Berechnungen behandelten Massen von etwa 100 Millionen bis zu zehn Trillionen Sonnenmassen und schlossen damit auch besonders extreme Giganten ein.
Die Ergebnisse, die in der Publikation „Gerlach et al., Closing the Mass Window for Stupendously Large Black Holes“ (Physical Review Letters 137: 181401, veröffentlicht am 26. Oktober 2026, DOI: 10.1103/qlf9-thf4) beschrieben wurden, schließen eine Theorie über das Verhalten Dunkler Materie nach dem Urknall aus.
Das Ergebnis verkleinert den Bereich, in dem diese spezielle Objektklasse als bedeutende Quelle Dunkler Materie in Betracht kommt, kann jedoch nicht ohne Weiteres auf deutlich leichtere Schwarze Löcher übertragen werden.”
Folgen für andere kosmologische Modelle
Die Arbeit der Mainzer Forscher hat Auswirkungen auf weitere Fragen des frühen Universums. SLABs galten als Kandidaten für die Erklärung mehrerer Phänomene, darunter der Nano-Hertz-Gravitationswellenhintergrund, der in Pulsar-Timing-Arrays als „Summen„detektiert wurde, sowie die überraschend großen frühen Galaxien, die durch das James-Webb-Weltraumteleskop beobachtet wurden. Die neuen Erkenntnisse zeigen jedoch, dass diese Objekte in der erforderlichen Menge nicht vorhanden waren.“
„Das frühe Universum birgt noch viele Rätsel, die darauf warten, gelöst zu werden,“ resümiert Nicholas Leister.
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