Haben primordiale Schwarze Löcher die ersten Sterne des Universums geleitet?

Das heute am weitesten verbreitete kosmologische Modell geht davon aus, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einer gewaltigen Energieexplosion, dem Urknall, entstand. Dieser Theorie zufolge schuf ein Punkt unendlicher Dichte und Temperatur durch eine plötzliche Expansion zunächst Zeit, Raum und Materie. In den ersten Sekunden bildeten sich Elementarteilchen – Protonen, Neutronen und Elektronen. Im Laufe der folgenden Hunderttausende von Jahren verbanden sich diese Teilchen zu einfachen Atomen wie Wasserstoff und Helium.

Die Geburt von Sternen und Galaxien ereignete sich jedoch viel später. Die Prozesse, die zu ihrer Entstehung führten, sind noch immer Gegenstand der Forschung. Insbesondere die Rolle primordialer Schwarzer Löcher, die sich vermutlich kurz nach dem Urknall bildeten, in dieser Entwicklung hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Wie in einem Bericht auf Space.com erwähnt, untersuchen einige Astrophysiker die Möglichkeit, dass primordiale Schwarze Löcher die Sternentstehungsrate beeinflusst haben könnten. Diese Schwarzen Löcher erklären nicht nur die dunkle Materie, sondern könnten auch zur Entstehung der ersten Lichtquellen im Universum beigetragen haben.

• Ursprüngliche Schwarze Löcher: Dunkle Materie und Sterne

Samen? Primordiale Schwarze Löcher (PBs) sind im Gegensatz zu typischen Schwarzen Löchern, die durch den Kollaps von Sternen entstehen, Himmelskörper, von denen man annimmt, dass sie als Folge von Dichteschwankungen im sehr frühen Universum – sogar in den ersten Sekunden – vor der Entstehung von Sternen entstanden sind. Die Arbeit von Carr und Hawking aus dem Jahr 1974 war in dieser Hinsicht bahnbrechend: „[...] einige lokale Schwankungen der Materiedichte im frühen Universum könnten lokale Kollapse verursacht haben, die zur Bildung von Schwarzen Löchern in sehr kurzen Zeiträumen führten“ (Carr & Hawking, 1974).

Diese Schwarzen Löcher könnten als „Gravitationskeime“ fungieren, die im frühen Universum Materie anzogen. Wie eine Studie von García-Bellido et al. (2021) feststellt, sind HRs nicht nur Kandidaten für Dunkle Materie, sondern könnten auch mit der Baryonenasymmetrie, dem Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht im Universum, zusammenhängen: „Primordiale Schwarze Löcher könnten einen gemeinsamen Ursprung von Dunkler Materie und Baryonendichte darstellen.“ Diese Ansicht wurde in García-Bellidos 2022 erschienenem „Handbook of Gravitational Wave Astronomy“ weiter ausgeführt, in dem vorgeschlagen wurde, dass primordiale Schwarze Löcher auch der Ursprung von Gravitationswellen sein könnten.

Laut der Analyse von Dolgov und Blinnikov (2014) könnten diese Schwarzen Löcher auch als Gravitationszentren gedient haben, die die Entstehung der ersten Sterne begünstigten. In diesem Modell zogen diese Schwarzen Löcher das umgebende Gas an und leiteten so die Bildung der ersten Sternhaufen ein. Carr und Greens umfassende Studie aus dem Jahr 2025 betonte, dass Schwarze Löcher mit unterschiedlichen Massen einen sehr weitreichenden kosmologischen Einfluss haben könnten, der sich nicht nur auf die Sternentstehung, sondern auch auf die Entstehung von Galaxien und sogar supermassereichen Schwarzen Löchern erstreckt.

• Die Geburt der ersten Sterne, die strahlenden Lichter der kosmischen Morgendämmerung:

Bis zu den ersten paar hundert Millionen Jahren des Universums gab es keine Sterne – eine Periode, die als „Dunkle Zeitalter“ bekannt ist. Schließlich bildeten durch die Schwerkraft verdichtete Gaswolken die ersten Sterne. Diese Sterne werden als Population-III-Sterne bezeichnet. Yoshida (2019) gibt an, dass diese Sterne sehr heiß, sehr massereich und kurzlebig waren:

„Die ersten Sterne können eine Masse von mehreren hundert Sonnenmassen haben und ihre Lebensdauer ist auf nur wenige Millionen Jahre begrenzt“ (Yoshida, 2019).

Wie diese Sterne jedoch so schnell entstehen konnten, blieb lange Zeit ein Rätsel. Volonteri und Bellovary (2012) gehen diese Frage wie folgt an:

„Urzeitliche Schwarze Löcher könnten die Ansammlung von Gas im Zentrum erleichtert und so zur schnellen Bildung dichter, heißer Sternentstehungsgebiete beigetragen haben.“

Die Arbeit von Smith und Bromm (2019) unterstützt diese Idee: Für die Entstehung massereicher Sterne und damit supermassereicher Schwarzer Löcher könnte die Existenz eines bereits vorhandenen „Schwerpunkts“ essenziell sein. Primordiale Schwarze Löcher könnten diese Rolle gespielt haben. In ähnlicher Weise vermuten Melia und McClintock (2015), dass die im frühen Universum beobachteten supermassereichen Schwarzen Löcher möglicherweise vor der Entstehung von Sternen entstanden sind und dass diese Strukturen möglicherweise durch stellare Protonen gesät wurden.

Diese Studien zeigen, dass das frühe Universum kein zufälliger Entstehungsprozess war, sondern von spezifischen Dynamiken getrieben wurde. Primordiale Schwarze Löcher könnten nicht nur die erste dunkle Materie des Universums gebildet haben, sondern auch maßgeblich zur Entstehung der ersten Lichtquellen – nämlich der Sterne – beigetragen haben. Gaztanagas Arbeit (2022) kehrt diesen Prozess jedoch um und stellt die Hypothese auf, dass sich das Universum selbst wie ein supermassives Schwarzes Loch verhalten könnte. Damit werden tiefere Verbindungen zwischen dem Urknall und der Physik Schwarzer Löcher hergestellt.

Wie Gow (2021) in seiner Doktorarbeit betont, könnten primordiale Schwarze Löcher, wenn diese Hypothese zutrifft, eine Neuschreibung der Geschichte des Universums erforderlich machen. In diesem Fall könnten wir in die Fußstapfen der Schwarzen Löcher treten, die „die Dunkelheit organisierten“, lange bevor sie den Sternen Licht spendeten.

Letztendlich können uns theoretische und beobachtende Studien primordialer Schwarzer Löcher nicht nur helfen, die Natur dieser mysteriösen Objekte zu verstehen, sondern auch, wie die ersten Sterne und Galaxien des Universums entstanden. Studien mit modernen Observatorien und Weltraumteleskopen der nächsten Generation werden weiterhin Spuren dieser Schwarzen Löcher aufspüren und diese Hypothesen überprüfen.

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Ressourcen

Carr BJ, Hawking SW. (1974). Mon Not R Astron Soc, 168(2), 399–415.

Dolgov AD, Blinnikov SI. (2014). Phys Rev D, 89(2), 021301.

Yoshida N. (2019). Proc Jpn Acad Ser B, 95(1), 17–28.

Volonteri M, Bellovary J. (2012). Rep Prog Phys, 75(12), 124901.

Smith A, Bromm V. (2019). Zeitgenössische Physik.

Melia F, McClintock TM. (2015). Proc R Soc A, 471(2184), 20150449.Gaztanaga E. (2022). Universum, 8(5), 257.

Carr BJ, Green AM. (2025). In Primordial Black Holes. SpringerNature.

Gow A. (2021). Doktorarbeit, University of Sussex.

García-Bellido J, Carr B, Clesse S. (2021). Universum, 8(1), 12.

García-Bellido J. (2022). In Handbook of Gravitational Wave Astronomy, Springer.

Space.com (2024). Haben „primordiale“ Schwarze Löcher, die direkt nach dem Urknall entstanden, zur Entstehung der ersten Sterne in unserem Universum beigetragen?