5 Minuten
Superschwere Dunkle Materie und der Kollaps von Planeten
Dunkle Materie macht nach Masse etwa 85 Prozent der Materie im Universum aus, doch ihre Zusammensetzung bleibt eines der größten Rätsel der modernen Astrophysik. Eine neue theoretische Studie schlägt einen Weg vor, die Natur der Dunklen Materie zu ergründen: Unter bestimmten Bedingungen könnten sich superschwere, nicht-annihilierende Dunkle-Materie-Teilchen in riesigen gasförmigen Exoplaneten ansammeln, sich nahe den Kernen konzentrieren und schließlich zu winzigen Schwarzen Löchern kollabieren. Würde dies beobachtet, wäre die Existenz von schwarzem Löchern in Planetenmasse ein starkes Indiz für eine nicht-annihilierende, hochmassige Komponente der Dunklen Materie.
Das Szenario beruht auf einem speziellen Dunkle-Materie-Kandidaten, der oft als superschwere, nicht-annihilierende Dunkle Materie bezeichnet wird. Anders als in vielen Teilchenmodellen, in denen Dunkle-Materie-Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sind und bei Kontakt annihilieren, würden diese Partikel Langzeit-Interaktionen überstehen und sich allmählich zu ausreichend massereichen Ansammlungen im Inneren von Planeten zusammenlagern. Nach Angaben der Forscher der UC Riverside, die die Idee vorgebracht haben, könnten diese dichten Dunkle-Materie-Kerne einen Schwellenwert erreichen, bei dem der gravitative Kollaps ein Schwarzes Loch mit der Masse des ursprünglichen Planeten bildet.
Mechanismus: Einfang, Absinken, Konzentration und Kollaps
Wie Dunkle Materie von Planeten eingefangen wird
Riesige Exoplaneten bieten ausgedehnte, tiefe Gravitationspotenziale und dicke Gasumschläge, die sie effizient beim Einfangen vorbeiziehender Dunkle-Materie-Teilchen machen. Wenn Dunkle Materie einen Planeten durchquert, können seltene Streuungen mit gewöhnlicher Materie genügend kinetische Energie entfernen, sodass das Teilchen gravitationsgebunden wird. Über Millionen bis Milliarden von Jahren verlieren eingefangene Teilchen durch weitere Wechselwirkungen Energie und wandern zum Planeteninneren, wo die zunehmende Dichte sie konzentriert.
Vom Ansammeln zur Bildung eines Schwarzen Lochs
Wenn Dunkle-Materie-Teilchen hinreichend massereich sind und nicht annihilieren, kann ihre zentrale Konzentration unbegrenzt zunehmen. Sobald der selbstgravitative Dunkle-Materie-Kern eine kritische Dichte oder Masse erreicht, kann er unter seiner eigenen Schwerkraft kollabieren und ein Mikro-Schwarzes Loch bilden. In einem gasförmigen Riesen könnte dieses Schwarze Loch dann umgebendes Material akkretieren und möglicherweise so weit wachsen, dass es den gesamten Planeten verschlingt, wodurch ein Schwarzes Loch mit der Masse des ehemaligen Planeten entsteht. Die Forscher betonen, dass dieser Weg spezifisch für das Modell der superschweren, nicht-annihilierenden Dunklen Materie ist.
Beobachtbare Signale und Suchstrategien
Das Auffinden eines Schwarzen Lochs in Planetenmasse ist mit aktueller Technik außerordentlich schwierig. Zur Größenordnung: Ein Schwarzes Loch mit der Masse des Jupiter hätte einen Ereignishorizont von nur etwa 5,6 Metern Durchmesser, viel zu klein, um es auf interstellaren Entfernungen direkt abzubilden. Dennoch könnten mehrere indirekte Strategien auf ihre Existenz hinweisen:
- Gravitationsmikrolensing: Ein Schwarzes Loch in Planetenmasse, das zwischen der Erde und einem Hintergrundstern vorüberzieht, würde eine charakteristische Lichtverstärkung und Lichtkurvenform erzeugen, ähnlich der eines gewöhnlichen Planeten, jedoch ohne die erwartete elektromagnetische Emission, die man von einem gasförmigen Himmelskörper sehen würde.
- Orbitale Dynamik und Transit-Anomalien: Das Ausbleiben eines Infrarot- oder optischen Signals dort, wo ein massereicher Körper aufgrund seiner gravitativen Wirkung vermutet wird, könnte darauf hindeuten, dass der Körper keine thermische Strahlung abgibt — konsistent mit einem Schwarzen Loch statt einem Gasriesen.
- Untersuchungen von kompakten Objekten: Finden Beobachtungsprogramme eine unerwartete Population isolierter, in Planetenmasse liegender kompakter Objekte, konzentriert in Regionen mit hoher Dunkle-Materie-Dichte wie dem Galaktischen Zentrum, würde das Entstehungsszenarien durch Dunkle Materie begünstigen.
Die Autoren schlagen vor, Exoplaneten-Surveys und Mikrolensing-Kampagnen in Regionen mit hoher Dunkle-Materie-Dichte zu priorisieren, um die Chancen zu maximieren, diese seltenen Ereignisse zu entdecken.
Technologische und theoretische Herausforderungen
Aktuelle Instrumente sind in den meisten Fällen nicht darauf ausgelegt, ein kaltes, kompaktes Schwarzes Loch von einem dunklen, nichtstrahlenden Planeten zu unterscheiden. Verbesserte hochfrequente Mikrolensing-Surveys, tiefere Infrarotuntersuchungen und präzisere astrometrische Überwachungen könnten die Empfindlichkeit für Objekte in Planetenmasse erhöhen. Auf theoretischer Seite bleibt die Modellierung, wie ein entstehendes Schwarzes Loch innerhalb verschiedener planetarer Strukturen akkretieren würde, ein aktives Feld für Simulationen.
Experteneinschätzung
Dr. Lina Ortega, Astrophysikerin spezialisiert auf die Detektion kompakter Objekte, kommentiert: 'Die Idee, dass Dunkle Materie die Bildung von Schwarzen Löchern in Gasriesen anregen könnte, ist provokativ und prüfbar. Sie verbindet Teilchenphysik direkt mit beobachtbaren astrophysikalischen Populationen. Obwohl die Beobachtungshürden erheblich sind, werden kommende Mikrolensing-Missionen und präzisere Astrometrie es uns in den nächsten zehn Jahren ermöglichen, dieses Modell einzugrenzen.'
Prof. Mehrdad Phoroutan-Mehr und Kollegin Tara Fetherolf von der UC Riverside weisen darauf hin, dass Exoplanetenkataloge, insbesondere solche mit Fokus auf das Galaktische Zentrum und andere Umgebungen mit hoher Dunkle-Materie-Dichte, die statistische Grundlage liefern könnten, um diese Vorhersagen zu prüfen. Sie betonen, dass selbst negative Ergebnisse die Eigenschaften der Dunklen Materie sinnvoll einschränken würden.
Fazit
Der Vorschlag, dass superschwere, nicht-annihilierende Dunkle Materie riesige Exoplaneten in planetengroße Schwarze Löcher verwandeln könnte, bietet einen konkreten astrophysikalischen Weg, die Physik der Dunklen Materie zu untersuchen. Obwohl die Detektion technisch anspruchsvoll ist, könnten gezielte Surveys — insbesondere Mikrolensing-Kampagnen und präzise astrometrische Überwachungen in Regionen mit hoher Dunkle-Materie-Dichte — charakteristische Signale offenbaren. Ob durch Entdeckung oder Einschränkung: Beobachtungen von Exoplaneten werden voraussichtlich unser Verständnis der Dunklen Materie und ihrer Rolle bei der Bildung kompakten Objektpopulationen in der Galaxie schärfen.
Quelle: journals.aps
Kommentare