Primordial Black Holes are 5D

In den frühesten Momenten des Universums, bevor Sterne entflammten oder Galaxien entstanden, war der Kosmos eine brodelnde, dichte Suppe aus Energie. Physiker vermuten schon lange, dass winzige Fluktuationen in diesem ursprünglichen Feuer unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabiert sein könnten, um die ersten Schwarzen Löcher zu bilden, die als primordiale Schwarze Löcher bekannt sind. Diese uralten Objekte sind überzeugende Kandidaten für Dunkle Materie, die unsichtbare Substanz, die Galaxien zusammenhält. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler diese Schwarzen Löcher als vierdimensionale Entitäten modelliert, die in den drei Dimensionen des Raums und der einzigen Dimension der Zeit existieren, die wir täglich erleben. Eine wachsende Zahl theoretischer Arbeiten deutet jedoch darauf hin, dass unser Universum tatsächlich verborgene, zusätzliche Dimensionen besitzen könnte, die zu klein sind, um gesehen zu werden, aber groß genug, um das Verhalten der Gravitation zu beeinflussen. Wenn diese zusätzlichen Dimensionen existieren, könnten die Regeln, die bestimmen, wie Schwarze Löcher entstehen und sich entwickeln, sich grundlegend von dem unterscheiden, was wir erwarten.

Ein Team von Forschern hat nun die Standardmechanismen zur Erzeugung dieser primordialen Schwarzen Löcher unter Anwendung eines spezifischen theoretischen Rahmens namens „Dark Dimension Scenario“ neu untersucht. Dieser Rahmen wird durch tiefe Prinzipien der Quantengravitation motiviert und legt nahe, dass unser Universum eine einzige zusätzliche Dimension von etwa der Größe eines Mikrons enthält, was etwa einem Millionstel eines Meters entspricht. In diesem Szenario ist das Standardmodell der Teilchenphysik auf einen dünnen Raumstreifen beschränkt, während die Gravitation in diese zusätzliche Dimension entweichen kann. Die Forscher stellten eine einfache, aber tiefgreifende Frage: Wenn diese zusätzliche Dimension existiert, sind die im frühen Universum entstandenen primordialen Schwarzen Löcher tatsächlich vierdimensionale Objekte, oder werden sie unweigerlich fünfdimensionale?

Das Team untersuchte drei bekannte Wege, wie das frühe Universum die dichten Materieklumpen erzeugen konnte, die für die Bildung von Schwarzen Löchern notwendig sind: die schnelle Expansion, bekannt als Inflation, plötzliche Zustandsänderungen der Materie, sogenannte Phasenübergänge, und die Bildung von kosmischen Strings, welche dünne, hochenergetische Defekte im Raum darstellen. Durch die Anwendung strenger Beschränkungen der Quantengravitation fanden die Autoren heraus, dass der erste Mechanismus, die Inflation, erhebliche theoretische Hürden aufweist. Wichtiger noch ist, dass sie nachwiesen, dass für die anderen beiden Mechanismen – Phasenübergänge und kosmische Strings – jedes Schwarze Loch, das entsteht, effektiv ein fünfdimensionales Objekt sein muss. Diese Schlussfolgerung gilt unabhängig davon, wie viele dieser Schwarzen Löcher existieren oder wann sie entstanden sind, vorausgesetzt, es greift keine exotische neue Physik bei niedrigen Energien ein.

Die Forscher verfolgten die Geschichte des Universums zurück zu einem kritischen Moment, der „Normalitätstemperatur“, die auftrat, als das Universum eine Temperatur von etwa 1 GeV aufwies. Vor diesem Punkt war die zusätzliche Dimension noch nicht stabilisiert, und das Universum verhielt sich wie ein höherdimensionales System. Das Team zeigte, dass, falls Schwarze Löcher durch Phasenübergänge bei Temperaturen höher als dieser Schwellenwert entstanden sind, sie zunächst als vierdimensionale Objekte erschienen. Aufgrund der spezifischen Größe der zusätzlichen Dimension wären diese Objekte jedoch instabil gewesen. Sie würden schnell eine Transformation durchlaufen, sich in die zusätzliche Dimension ausdehnen und zu fünfdimensionalen Schwarzen Löchern werden. Der einzige Weg, wie ein Schwarzes Loch vierdimensional bleiben könnte, wäre, wenn es bei Temperaturen weit unter denen der erwarteten bekannten Phasenübergänge gebildet wurde – ein Szenario, das die Autoren angesichts unseres derzeitigen Verständnisses der Teilchenphysik als höchst unwahrscheinlich einstufen.

Der Fall für kosmische Strings ist noch eindeutiger. Diese Strings, die entstehen können, wenn Symmetrien im frühen Universum gebrochen werden, können zu Schwarzen Löchern kollabieren. Die Forscher berechneten, dass, falls diese Strings bei Temperaturen oberhalb der Normalitätsschwelle entstanden sind, die resultierenden Schwarzen Löcher als fünfdimensionale Strukturen geboren wurden. Selbst wenn sie bei niedrigeren Temperaturen entstanden, machen die Beschränkungen bezüglich der Größe der zusätzlichen Dimension und der Eigenschaften der beteiligten Teilchen es unmöglich, dass sie vierdimensional bleiben. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass in einem Universum mit einer mikrongroßen zusätzlichen Dimension primordale Schwarze Löcher nicht die vierdimensionalen Objekte sind, die wir uns lange Zeit vorgestellt haben, sondern stattdessen fünfdimensionale Entitäten sind.

Einer der faszinierendsten Aspekte dieses Befundes betrifft die Lebensdauer dieser fünfdimensionalen Schwarzen Löcher. In fünf Dimensionen verdampfen Schwarze Löcher wesentlich langsamer als ihre vierdimensionalen Gegenstücke. Die Autoren fanden heraus, dass Schwarze Löcher, die aus kosmischen Strings entstanden sind, Lebensdauern haben könnten, die mit dem aktuellen Alter des Universums, welches etwa 13,8 Milliarden Jahre beträgt, vergleichbar sind. Diese Langlebigkeit eröffnet ein Fenster für Beobachtungen. Die Forscher merkten an, dass eine kürzlich erfolgte Detektion eines hochenergetischen Neutrinos durch das KM3NeT-Experiment ein Energieniveau aufweist, das auf eine Weise mit der Skala der fünfdimensionalen Physik in diesem Szenario korreliert, die bemerkenswert ist. Falls diese uralten Schwarzen Löcher heute verdampfen, könnten sie die Quelle solcher hochenergetischer Teilchen sein. Darüber hinaus bietet die fünfdimensionale Natur dieser Schwarzen Löcher eine natürliche Erklärung dafür, warum dieses Neutrino-Ereignis nicht von einem hochenergetischen Photon begleitet wurde – ein Merkmal, das Astronomen Rätsel aufgab. Die Studie legt nahe, dass diese fünfdimensionalen Schwarzen Löcher eine praktikable Quelle für solche kosmischen Signale sein könnten und somit eine potenzielle Brücke zwischen theoretischen Modellen der zusätzlichen Dimensionen und realweltlichen astronomischen Beobachtungen schlagen.

Letztendlich verändert diese Arbeit unser Verständnis der extremsten Objekte des frühen Universums. Indem sie die Prinzipien der Quantengravität rigoros auf die Entstehung primordialer Schwarzer Löcher anwendet, haben die Forscher gezeigt, dass diese Schwarzen Löcher, sofern eine mikrongroße zusätzliche Dimension existiert, fundamental fünfdimensional sind. Diese Schlussfolgerung stellt die lang gehegte Annahme infrage, dass alle Schwarzen Löcher vierdimensional sind, und deutet darauf hin, dass die verborgenen Dimensionen des Universums eine direkte Rolle im Lebenszyklus seiner geheimnisvollsten Bewohner spielen. Die Ergebnisse verfeinern nicht nur ein mathematisches Modell; sie deuten auf ein Universum hin, in dem das Gefüge des Raums komplexer ist, als wir es wahrnehmen, und in dem die Überreste des Urknalls ihre Geheimnisse durch die hochenergetischen Teilchen flüstern könnten, die uns heute erreichen.